運算放大器權威指南（第5版）

布鲁斯·卡特（Bruce Carter）

电子工程师，在射频、模拟和数字电路设计方面拥有30多年的经验。曾在德州仪器公司担任应用工程师多年，任职于3M公司。

 

罗恩·曼西尼（Ron Mancini）

电子工程师，在晶体管电路、固态子系统和模拟IC的应用工程设计等领域拥有30多年的经验。曾在德州仪器公司工作多年，并在此期间累计申请了12项美国专利。

 

【译者简介】

孙宗晓

本科毕业于北京大学力学与工程科学系，硕士、博士毕业于北京大学工学院生物医学工程系。主要研究方向：生物医学信号的采集、传输与处理。

第 1章 運算放大器的地位　1

1.1　問題　1

1.2　解決方案　1

1.3　運算放大器的誕生　2

1.3.1　電子管時代　2

1.3.2　晶體管時代　3

1.3.3　集成電路時代　3

1.4　參考文獻　4

第　2章 理想運放公式的推導　5

2.1　引言　5

2.2　理想運放假設　6

2.3　同相放大電路　7

2.4　反相放大電路　8

2.5　加法器　9

2.6　差分放大器　9

2.7　復雜的反饋網絡　11

2.8　阻抗匹配放大器　12

2.9　電容　13

2.10　為什麽理想運放會毀滅整個宇宙　14

2.11　小結　15

第3章　交流耦合單電源運放電路的設計　16

第4章　直流耦合單電源運放電路的設計　23

4.1　引言　23

4.2　簡單的入門例子　23

4.3　電路分析　25

4.4　聯立方程組　29

4.4.1　情形1：VOUT = +mVIN + b　30

4.4.2　情形2：VOUT = +mVIN - b　33

4.4.3　情形3：VOUT = -mVIN + b　36

4.4.4　情形4：VOUT = -mVIN - b　38

4.5　小結　40

第5章　其他情形　41

5.1　一系列的應用　41

5.2　偏移量為零的同相衰減器　42

5.3　偏移量為正的同相衰減器　42

5.4　偏移量為負的同相衰減器　42

5.5　偏移量為零的反相衰減器　43

5.6　偏移量為正的反相衰減器　43

5.7　偏移量為負的反相衰減器　44

5.8　同相緩沖器　44

5.9　設計輔助工具　44

5.10　信號鏈設計　46

第6章　反饋與穩定性理論　47

6.1　反饋理論導論　47

6.2　框圖的運算與變換　47

6.3　反饋方程與穩定性　51

6.4　反饋電路的伯德分析　52

6.5　伯德分析在運放上的應用　55

6.6　環路增益圖是理解穩定性的關鍵工具　57

6.7　二階方程與振鈴/過沖預測　59

6.8　參考文獻　60

第7章　非理想運放方程的推導　61

7.1　引言　61

7.2　標準形式方程的回顧　62

7.3　同相放大電路　63

7.4　反相放大電路　65

7.5　差分放大電路　66

7.6　你是否比運放更聰明　67

第8章　電壓反饋運放的補償　70

8.1　引言　70

8.2　內部補償　71

8.3　外部補償、穩定性與性能　75

8.4　主極點補償　75

8.5　增益補償　78

8.6　超前補償　79

8.7　在運放電路中應用的補償衰減器　81

8.8　超前-滯後補償　83

8.9　補償方案的比較　85

8.10　小結　86

第9章　電流反饋運放　87

9.1　引言　87

9.2　電流反饋運放的模型　88

9.3　穩定性方程的推導　88

9.4　電流反饋同相放大電路　89

9.5　電流反饋反相放大電路　90

9.6　穩定性分析　92

9.7　反饋電阻的選擇　93

9.8　穩定性與輸入電容　95

9.9　穩定性與反饋電容　96

9.10　CF和CG的補償　97

9.11　小結　97

第　10章 電壓反饋運放與電流反饋運放的比較　99

10.1　引言　99

10.2　精度　99

10.3　帶寬　101

10.4　穩定性　103

10.5　阻抗　104

10.6　公式的比較　105

第　11章 全差分運放　107

11.1　引言　107

11.2　“全差分”意味著什麽　107

11.3　第二個輸出端如何使用　108

11.4　差分放大級　108

11.5　單端到差分的轉換　109

11.6　一項新功能　110

11.7　理解VOCM輸入　110

11.8　儀表放大器　112

11.9　濾波器電路　113

11.9.1　單極點濾波器　113

11.9.2　雙極點濾波器　114

11.9.3　多重反饋濾波器　114

11.9.4　雙二階濾波器　116

第　12章 不同類型的運放　118

12.1　引言　118

12.2　無補償和欠補償的電壓反饋運放　118

12.3　儀表放大器　119

12.4　差動放大器　120

12.5　緩沖放大器　122

第　13章 電路故障診斷　125

13.1　引言　125

13.2　排除最簡單的問題：檢查電源　125

13.3　不要忘記“使能”引腳　125

13.4　檢查直流工作點　126

13.5　增益錯誤　126

13.6　輸出噪聲大　126

13.6.1　傳導發射與輻射發射噪聲　127

13.6.2　輻射敏感噪聲　129

13.6.3　傳導敏感噪聲　131

13.7　輸出帶有偏移量　133

13.8　小結　135

第　14章 傳感器與模數轉換器的接口電路　136

14.1　引言　136

14.2　系統的信息　137

14.3　電源的信息　138

14.4　輸入信號的特性　139

14.5　模數轉換器的特性　140

14.6　接口的特性　140

14.7　結構的確定　142

14.8　小結　143

第　15章 數模轉換器與負載的接口電路　144

15.1　引言　144

15.2　負載的特性　144

15.2.1　直流負載　144

15.2.2　交流負載　144

15.3　理解數模轉換器及其指標　145

15.3.1　數模轉換器的種類　145

15.3.2　最簡單的電阻階梯式數模轉換器　145

15.3.3　加權電阻式數模轉換器　145

15.3.4　R/2R數模轉換器　146

15.3.5　增量求和式數模轉換器　148

15.4　數模轉換器的誤差預算　149

15.4.1　精度與分辨率　149

15.4.2　直流應用的誤差預算　150

15.4.3　交流應用的誤差預算　151

15.4.4　射頻應用的誤差預算　152

15.5　數模轉換器的誤差與參數　152

15.5.1　直流誤差與參數　152

15.5.2　交流誤差與參數　156

15.6　數模轉換器電容的補償　158

15.7　增加運放緩沖器電路的輸出電流與電壓　159

15.7.1　擴流電路　160

15.7.2　增壓電路　161

15.7.3　功放電路　162

15.7.4　單電源工作與直流偏移　162

第　16章 有源濾波器的設計　164

16.1　引言　164

16.2　低通濾波器基礎　165

16.2.1　巴特沃思低通濾波器　168

16.2.2　切比雪夫低通濾波器　169

16.2.3　貝塞爾低通濾波器　169

16.2.4　品質因子Q　171

16.2.5　小結　172

16.3　低通濾波器設計　172

16.3.1　一階低通濾波器　173

16.3.2　二階低通濾波器　175

16.3.3　高階低通濾波器　178

16.4　高通濾波器設計　180

16.4.1　一階高通濾波器　181

16.4.2　二階高通濾波器　183

16.4.3　高階高通濾波器　184

16.5　帶通濾波器設計　185

16.5.1　二階帶通濾波器　186

16.5.2　四階帶通濾波器（參差調諧）　189

16.6　帶阻濾波器設計　192

16.6.1　有源雙T濾波器　193

16.6.2　有源Wien-Robinson濾波器　195

16.7　全通濾波器設計　196

16.7.1　一階全通濾波器　198

16.7.2　二階全通濾波器　199

16.7.3　高階全通濾波器　200

16.8　實際設計中需要註意的事項　201

16.8.1　濾波電路的偏置　201

16.8.2　電容的選擇　203

16.8.3　元件的取值　205

16.8.4　運放的選擇　205

16.9　濾波器系數表　207

16.10　延伸閱讀　213

第　17章 設計濾波器的快速簡便方法　214

17.1　引言　214

17.2　快速實用濾波器設計　214

17.3　設計濾波器　216

17.3.1　低通濾波器　216

17.3.2　高通濾波器　217

17.3.3　窄（單頻點響應）帶通濾波器　218

17.3.4　寬帶通濾波器　218

17.3.5　陷波（單頻點抑制）濾波器　219

17.4　使用一個運放完成盡可能多的工作　221

17.4.1　三極點低通濾波器　221

17.4.2　三極點高通濾波器　222

17.4.3　參差調諧與多諧振峰帶通濾波器　222

17.4.4　單運放陷波與多頻陷波濾波器　225

17.4.5　結合使用帶通濾波器和陷波濾波器　227

17.5　設計輔助工具　228

17.5.1　低通、高通和帶通濾波器設計輔助工具　228

17.5.2　陷波濾波器設計輔助工具　230

17.5.3　雙T濾波器設計輔助工具　231

17.6　小結　232

第　18章 高速濾波器　233

18.1　引言　233

18.2　高速低通濾波器　233

18.3　高速高通濾波器　234

18.4　高速帶通濾波器　234

18.5　高速陷波濾波器　235

18.6　10 kHz陷波濾波器的結果　236

18.7　小結　238

第　19章 運放在射頻設計中的應用　239

19.1　引言　239

19.2　電壓反饋還是電流反饋　239

19.3　射頻放大器的電路結構　239

19.4　用於射頻設計的運放參數　241

19.4.1　單級增益　241

19.4.2　相位線性度　242

19.4.3　頻響峰值的調節　242

19.4.4　-1dB壓縮點　243

19.4.5　噪聲系數　244

19.5　無線系統　245

19.5.1　寬帶放大器　246

19.5.2　中頻放大器　247

19.6　高速模擬輸入驅動電路　249

19.7　小結　249

第　20章 低壓運放電路的設計　251

20.1　引言　251

20.2　關鍵的指標　251

20.2.1　輸出電壓擺幅　251

20.2.2　動態範圍　252

20.2.3　輸入共模電壓範圍　253

20.2.4　信噪比　254

20.3　小結　256

第　21章 極端環境下的應用　257

21.1　引言　257

21.2　溫度　257

21.2.1　噪聲　258

21.2.2　速度　258

21.2.3　輸出驅動能力和輸出級　258

21.2.4　直流參數　258

21.2.5　最重要的參數　259

21.2.6　極端環境下運放參數的最終註記　259

21.3　封裝　259

21.3.1　集成電路本身　259

21.3.2　集成電路的封裝　260

21.3.3　集成電路的互聯　260

21.4　當失效不可接受時　262

21.5　當產品壽命要求很長時　263

21.6　小結　264

第　22章 穩壓器　265

22.1　引言　265

22.2　穩壓器的情形　265

22.2.1　虛地：b = 0　265

22.2.2　正電壓和負電壓穩壓器：b > 0，b < 0　265

22.3　自製還是購買　266

22.4　線性穩壓器　266

22.5　開關穩壓器　268

22.6　過壓保護電路　269

22.7　有源負載電路　271

22.8　設計輔助工具　272

22.9　小結　273

第　23章 負電壓開關穩壓電路　274

23.1　引言　274

23.2　典型的降壓開關穩壓電路　274

23.3　電感的附加繞組　276

23.4　附加電感　277

23.5　用-VOUT而不是地作為穩壓器的參考點　278

23.6　其他方案　279

23.7　負電壓有源負載　279

23.8　小結　280

第　24章 其他應用　281

24.1　運放振盪器　281

24.2　組合運放與提高輸出功率的方法　283

第　25章 常見的應用錯誤　287

25.1　引言　287

25.2　運放工作在小於單位增益（或規定增益）的情況　287

25.3　運放用作比較器　288

25.3.1　比較器　290

25.3.2　運放　290

25.4　未用運放的不恰當端接　291

25.5　直流增益　292

25.6　電流源　293

25.7　電流反饋運放：短路的反饋電阻　294

25.8　電流反饋運放：反饋環中的電容　295

25.9　全差分運放：錯誤的單端端接　295

25.10　全差分運放：錯誤的直流工作點　296

25.11　全差分運放：錯誤的共模電壓範圍　297

25.12　最普遍的應用錯誤：不恰當的退耦　299

25.13　小結　300

附錄A　電路理論回顧　301

附錄B　理解運放的參數　308

附錄C　運放的噪聲理論　333

附錄D　印製電路板布圖技術　346

附錄E　單電源運放電路集錦　365

索引　374