📚 课程目录第3章基本放大电路

3. 基本放大电路

各位，今天我们来聊聊传感器调理电路里最核心的四个放大器结构。说实话，我做了十几年模拟电路设计，这四个结构几乎每天都在打交道。它们就像木匠手里的刨子、凿子——工具本身不复杂，但用好了能做出漂亮活儿。

传感器出来的信号，通常又弱又小，还带着一堆噪声。这时候就需要放大器上场了。但怎么放大？放大多少？用什么结构？这里头门道不少。我一个个说。

同相放大器，输入信号从运放的正端进去。输出和输入同相位，增益永远大于等于1。它的结构很简单：一个运放，两个电阻。

核心公式： V_out = V_in × (1 + R_f / R_g)

这里R_f是反馈电阻，R_g是接地电阻。增益由这两个电阻的比值决定。我习惯先定R_g在1kΩ到10kΩ之间，再算R_f。为什么？因为电阻值太大或太小都会引入噪声或功耗问题。

我的经验： 同相放大器的输入阻抗极高，几乎不从前级取电流。这对传感器信号特别友好。比如压电传感器，输出阻抗很高，用同相放大器就很合适。

但有个坑要注意——共模电压。同相放大器的两个输入端电压几乎相等，都等于V_in。如果V_in接近电源轨，运放可能饱和。我曾经在一个项目中，传感器输出2.8V，我用5V供电的同相放大器，结果输出死活到不了5V。后来才发现是共模输入范围不够。

反相放大器，信号从运放负端进去。输出和输入反相，增益可以是任意值（包括小于1）。

核心公式： V_out = -V_in × (R_f / R_in)

反相放大器的输入阻抗等于R_in。这一点和同相放大器完全不同。你想想看，如果R_in选得太小，前级信号会被拉垮。我一般把R_in设在10kΩ以上，除非信号源驱动能力很强。

反相放大器有个好处——它的反相输入端是虚地。这意味着共模电压几乎为零。如果你的传感器信号叠加了一个很大的直流偏置，用反相放大器可以轻松处理。我做过一个光电二极管放大器，暗电流产生的偏置电压有1.2V，用反相结构配合隔直电容，轻松搞定。

注意： 反相放大器的噪声增益和信号增益不同。噪声增益永远是1 + R_f/R_in。这一点很多人会忽略。我曾经吃过这个亏，设计了一个增益为-10的放大器，结果噪声比预期大了11倍。

差分放大器，说白了就是同时放大两个输入信号的差值。它由四个电阻和一个运放组成。

核心公式： V_out = (V₊ - V_-) × (R_f / R_in)

这里要求四个电阻严格匹配：R_f1 = R_f2，R_in1 = R_in2。否则共模抑制比（CMRR）会急剧下降。

我遇到过最典型的问题：用1%精度的电阻搭差分放大器，理论CMRR应该很高，实际测出来只有40dB。后来换成0.1%的电阻，CMRR才到60dB。你想想看，电阻匹配有多重要。

差分放大器在传感器调理中特别常用。比如桥式传感器（压力、应变），输出就是两个差分信号。用差分放大器可以直接提取有用信号，同时抑制共模噪声。

仪表放大器，本质上是一个高性能的差分放大器。但它有三个运放，结构更复杂，性能也更好。

它的典型结构是：两个运放构成输入级（同相放大器），第三个运放构成输出级（差分放大器）。

输入级增益：G1 = 1 + 2R<sub>f</sub> / R<sub>g</sub>
输出级增益：G2 = R<sub>4</sub> / R<sub>3</sub>（通常固定）
总增益：G = G1 × G2

仪表放大器的优势很明显：

我个人习惯，只要传感器信号是差分的，而且环境噪声比较大，就直接上仪表放大器。比如心电信号（ECG），只有几毫伏，但工频干扰有几十毫伏。用仪表放大器，CMRR做到100dB以上，工频干扰就能压到微伏级别。

避坑指南： 我曾经用仪表放大器采集热电偶信号，发现输出一直在漂。查了半天，原来是输入偏置电流太大，在热电偶的高阻抗上产生了额外的压降。后来换了一个FET输入的仪表放大器，问题就解决了。

四种结构各有千秋。我画了一张图，帮你理清思路。

选型时，我一般按这个顺序问自己：

举个例子。一个压阻式压力传感器，输出差分信号，阻抗约5kΩ，共模电压2.5V，信号幅度20mV。我会选仪表放大器，增益设100倍，CMRR做到100dB以上。这样输出2V，噪声被抑制得很好。

再比如一个光电二极管，输出单端电流信号，阻抗极高。我会用反相放大器（跨阻结构），把电流转成电压。为什么不用同相？因为同相结构处理电流信号不方便。

重要提醒： 不管选哪种结构，一定要检查运放的共模输入范围、输出摆幅和压摆率。这三个参数决定了你的电路能不能正常工作。我见过太多人只算增益，不管这些参数，结果电路根本跑不起来。

好了，四种基本放大电路就讲到这里。记住，没有最好的结构，只有最合适的结构。多动手仿真，多积累经验，你慢慢就会形成自己的判断。