构建一个10倍反相交流放大器

使用双极型晶体管共射极结构和运算放大器，一步步DIY制作一个10倍反相交流放大器的指南。

1. 项目概述与故事

信号放大是模拟电子学中最基本的概念之一。无论您是在处理传感器信号、为扬声器准备音频，还是进行射频信号处理，理解如何在保持波形完整性的同时放大微弱的交流信号都至关重要。

在本项目中，我们将展示两种不同的设计方法，以实现对40 Hz交流输入信号的10倍反相放大(将50 mV交流信号放大至近500 mV交流信号)：

•离散晶体管电路：采用NPN双极型结型晶体管(BJT)构成共集电极结构，通过电阻分压网络实现直流基极偏置，并使用交流耦合电容。

•集成电路运算放大器电路：采用标准的运放IC，结合经典的反相放大器拓扑结构并加入负反馈。

通过将两种电路并排构建和对比，制作爱好者和电子发烧友可以深入理解分立电路与集成电路的动态特性、增益计算以及相位反转。

2. 物料清单(BOM)

以下是本DIY项目所需组件和设备的文本列表：

•通用型NPN晶体管(例如2N3904或BC547)——1个

•通用型运算放大器IC(例如LM741、TL071或NE5532)——1个

•10 kΩ电阻(1/4W)——2个

•1 kΩ电阻(1/4W)——2个

•偏置电阻(用于晶体管直流基极工作点设置的串联电阻网络)——按需使用

•输入耦合电容(例如10 µF电解电容/陶瓷电容)——1个

•输出耦合电容(例如10 µF电解电容/陶瓷电容)——1个

•直流电源(5V - 12V DC)——1个

•功能/交流信号发生器(设定为40 Hz，50 mV正弦波)——1个

•双通道示波器(用于信号测量和波形比较)——1个

•无焊接面包板及跳线——1套

3. 分步搭建指南

第一步：设置晶体管直流偏置与共射极放大器

首先，构建NPN晶体管的直流偏置电路，以设定稳定的Q点(工作点)。我们使用串联电阻网络为基极提供合适的直流电压。

接下来，通过在基极连接输入电容、在集电极连接输出电容，完成交流信号路径。信号从基极输入，放大后的输出信号从集电极取出。这构成了经典的共射极(CE)放大器电路。

第二步：晶体管增益分析与示波器验证

共射极放大器在交流通带内的电压增益(A_v)由集电极电阻与发射极电阻之比决定：

增益(A_v)= R_C / R_E = 10k / 1k = 10(十倍放大)

现在，打开信号发生器和示波器，输入一个40 Hz、50 mV的正弦交流波。观察第二通道上的输出波形：

• 输入信号：峰峰值约50 mV

• 输出信号：峰峰值约500 mV

• 相位关系：180°相位反转(输出峰值与输入谷值重合)

第三步：构建运算放大器反相放大电路

为了使用集成电路实现完全相同的10倍反相放大，构建一个运算放大器反相放大拓扑结构：

1. 1. 将非反相输入(+)引脚接地。

2. 通过一个1 kΩ的输入电阻(R_in)将40 Hz交流输入信号连接到反相输入(-)引脚。

3. 在输出引脚与反相输入(-)引脚之间接入一个10 kΩ的反馈电阻(R_f)。

第四步：运算放大器增益计算与信号测量

根据运算放大器理论(采用虚短路和虚地原理)，反相放大器的闭环电压增益(A_v)计算如下：

A_v = - (R_f / R_in) = - (10,000 / 1,000) = -10

负号明确表示输出相对于输入产生了180°的相位反转。

连接示波器探头，显示屏显示输入50 mV交流信号被清晰放大至500 mV交流信号，并且实现了精确的180°相位反转，其性能完全符合离散晶体管电路的表现。

第五步：电路对比与综合分析

将两个电路并排放置，进行全面比较：

• 晶体管电路：需要额外的无源元件(电阻、耦合电容)来建立正确的直流工作点和交流耦合，但能以较低成本获得离散器件工作的基本理解。• 放大器电路：提供卓越的增益精度(完全由外部电阻比决定)、高输入阻抗、低元件数量以及出色的线性度，无需复杂的直流偏置设计。

4. 结论与下一步

无论是使用分立晶体管还是集成电路运算放大器，都能成功实现对40 Hz信号的10倍反相交流放大。虽然分立晶体管有助于深入理解半导体物理和直流偏置原理，但运算放大器则简化了设计复杂度，并为大多数模拟应用提供了精确的性能表现。

欢迎在面包板上尝试搭建两种电路，通过调整不同电阻比值来改变增益，或尝试更高频率的信号。

本文编译自hackster.io