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今天我们介绍一下放大器。
在检测和自动控制系统中，传感器的作用相当于人的五官。系统对传感器的依赖性很大，我们的各种医疗仪器，归根结底是对患者的信息的采集和处理过程。采集的第一步就是传感器，就是把生物信号转变为电信号。
非常遗憾的是我们国家的传感器特别是商品化传感器的制造水平比较低（我们的军用传感器水平达到了世界先进水平），所以一旦传感器损坏，除了更换以外，我们通常没有其它方法。上周我们的血气分析仪的氧电极坏了，就更换了。让我去修氧电极？我可没有那个本事，但传感器以后的部分，我们这些搞维修的工程师还是有很大的用武空间的。
生物信号经传感器变成电信号以后，所面临的第一个问题就是放大。
先讲讲放大吧：
“放大”这个词用的很普遍，在很多地方都能看到放大现象的存在。例如：用放大镜放大微小物体的形象，用杠杆放大力量，用变压器将低电压变成高电压，用扩音机放大声音。仔细看一下，前3者符合能量守恒的法则：影像放大了但亮度降低了，力量放大了但作用距离缩短了，电压提高了但电流减小了。只有第四钟，扩音机输出了比说话者大得多的能量，这个能量是从扩音机中的电源获得的。我们仪器及电子学中所讲的放大是指第四种，即包含能量控制的放大。这一点大家要注意：无源的放大不包括在我们讨论的范围之内。
放大电路的指标有如下几种:
1． 放大倍数：是衡量放大电路放大能力的指标。
2． 输入电阻：通常越大越好。
3． 输出电阻：通常越小越好。
4． 通频带：表明放大电路对信号频率的适应能力。
5． 最大输出幅值：当输入信号再增加，就会使输出波形产生较大的非线性失真。
6． 最大输出功率：表明放大器的带载能力。
7． 非线性失真系数：越小越好。
最初放大电路由三极管构成，随着半导体技术的发展，出现了集成运算放大电路，简称“运放”――由于早期用于数值运算，所以叫了这个名字，现在计算机技术发展了，基本上不用它做运算了，但原来的名字保留下来了。
我们现在的各种仪器设备中的放大电路的核心都是运算放大器。运算放大器是现在线性器件中最为活跃的一支，生产厂商众多，种类繁多，用铺天盖地来形容一点也不过分，市场上能够买到的各种类型的运放不下数千种，从最基本的741（单运放）、324（4运放）等到数千元一片的高速高精的放大器，让人眼花缭乱。在设计电路时面对如此多的选择，又是高兴又是困惑。
就我个人感觉而言，数字电路相对容易，模拟电路难搞，放大电路更是难于设计，没有扎实的基本功是难以设计出优秀的放大电路的，干扰啊、温漂啊、带宽啊都要考虑，要从数千种放大器中选一种合适的谈何容易。还好，我们搞的是仪器仪表，通常对成本不十分敏感，选片就高不就低，只要能满足性能要求，管他多贵的东西都敢往上招呼。要是搞民用电路的设计，这种风格绝对是死定了。我看到很多国内的设备的选片都非常前卫的，而国外的设备的选片都很保守――够用为好。二者设计理念的高下是很容易看出来。
集成运放的性能指标一般如下：
1． 开环差模电压放大倍数：一般在140db，理想为无穷大。
2． 共模抑制比：一般都在60～130db以上，理想为无穷大。
3． 差模输入电阻：越大越好。
4． 输入失调电压：越小越好。
5． 输入失调电压的温漂：越小越好。
6． 输入失调电流：越小越好。
7． 输入失调电流的温漂：越小越好。
8． 输入偏置电流：越小越好。
9． 最大共模输入电压。
10． 最大差模输入电压
11． －3db带宽：越大越好
12． 单位增益带宽
13． 转换速率
还有多种性能指标，不做一一介绍，各种模拟电路的书籍中讲得很多了。如果不做设计的话，并无太大的意义。遇到需要代换的情况可能会用到这些，但现在买芯片实在是太方便了，只要有型号，基本上没有买不到的情况，替代的机会很小，所以对这些参数有个大概的了解，知道有这么一回事就可以了。
下面讲一下对于运放而言最重要的两个概念――虚断和虚短。看图：
理想的运算放大器（以OP-07为例），其输入电阻是无穷大的，即从2、3脚向运放内部看去，相当于断路一样，称为“虚断”。
理想运放的同相输入端（3）和反相输入端（2），的电压永远相等，如同二者短路一样，称为“虚短”。
我们用运放搭建放大电路，使用这两个概念可以十分方便地计算出电路的放大倍数。为了获得更稳定的放大信号，在放大电路中通常要引入负反馈电路。
下面看一下由运放构成的最基本的两种放大电路，看图：
左侧的电路为电压并联负反馈电路，右侧电路为电压串连负反馈电路。
由虚断和虚短的概念来分析这两种电路
左侧电路的放大倍数计算公式为Vo/Vi= -Rf/R
右侧电路的放大倍数计算公式为Vo/Vi= 1+Rf/R
在维修的过程中我们可以按照如下的方法判断放大器的好坏（以OP-07为例）
1． 先看放大器的供电电源如何。OP-07要求正负电源供电，两组电源应尽量均衡。
2． 用虚短的概念判断，量2、3脚之间的电压，如果不为0，则OP-07损坏。
3． 根据电路图计算出电路的放大倍数，然后量出输出和输入的电压，比较一下，看是否大致和放大倍数相符。检验仪器中测量的基本上都是直流电信号，交流信号很少，比较容易测量。但一般输入信号很微弱，不易用万用表量出，可以采用引入测试信号的方法来判断放大器的好坏。
4． 一般情况下运放直接损坏的可能性较小，常见的故障是热稳定性不好，造成放大电路静态工作点不断漂移，这种故障很是让我们头痛的，难于查找，建议直接更换运放。
5． 有时候输入电阻和参考电阻损坏也是造成放大电路不能工作的原因。
应当说，OP-07是一款优秀的运算放大器，失调电压，失调电流和温漂都很小，是一款通用性极强的运算放大器。
在许多检测技术应用的场合，传感器输出的信号往往很弱，其中包含了很多共模干扰，对这种信号的放大就需要很高的共模抑制比和高增益、低噪音和高输入阻抗。通常具有这种特点的放大器叫做测量放大器或仪表放大器。这种放大器的外围电路接法和普通运放的接法不同，通常厂方会提供详细的芯片资料供参考。美国Anolog公司生产的仪表放大器应用较为广泛，用于医用检测仪器中的常见有AD521、AD522、AD620等使用，另外B-B公司的INA101、INA104系列等也比较常见。
下图是一个用于检测非常微弱的温度变化所设计的电路，由OP-07构成恒流源给电桥供电，电流1mA（电流过大会给铂电阻加热影响测量精度），给OP-07提供的基准电压使用国半公司的LM399电压基准。电桥输出的信号经仪表放大器AD620放大后由AD转换器输入给单片机处理。此电路经长期运行，比较稳定，测量的精度、重复性都很好，温漂很小，一次定标后1、2个月内不需要重新调校。看图：
由图中我们可以看出，AD620这种仪表放大器的连接方式与普通的运放完全不同，在设计和维修的过程中尤其需要注意，由一个电阻来调节放大倍数，上图即是使用接在1、8脚间的450欧姆的电阻。不需要接反馈电阻。（AD521需要接反馈电阻，具体情况需参照手册而定），仪表放大器的出现极大地拓宽了放大器的使用空间，也是放大器制作领域最为活跃的一个分支，有兴趣的同仁可以到专业网站去查阅资料，那是另外一个全新的世界。
顶风
2005－3－27 | 
