电子元器件应用技术:基于OP放大器与晶体管的放大电路设计

第1章 通过亲手制作晶体管电路学习运算放大器

1.1 运算放大器的概述

1.1.1 运算放大器具备的五个基本端子

1.1.2 两个输入端子与一个输出端子

1.1.3 运算放大器的放大倍数--差动电压增益Avd

1.1.4 运算放大器的电源电压

1.1.5 理想运算放大器

1.2 五晶体管运算放大器的实验

1.2.1 运算放大器的内含--由晶体管组成的放大电路

1.2.2 制作五晶体管运算放大器

1.2.3 五晶体管运算放大器的电路制作

1.2.4 作为正向放大器的实验

1.2.5 电压跟随器电路的实验

1.2.6 反向放大器的实验

1.3 运算放大器的交流(Ac)特性

1.3.1 最大输出电压振幅相对频率的特性

1.3.2 转换速率(S1ew Rate)

1.3.3 其他的交流特性

1.4 运算放大器的直流(Dc)特性

1.4.1 输入偏置电流IB与失调(Offset)电流IIO

1.4.2 输入失调电压VIO

1.4.3 最大输出电压相对负载电阻的特性

1.4.4 共模输入电压范围

1.5 运算放大器以负反馈使用时的稳定性

1.5.1 放大器与振荡器本质相同

1.5.2 增益用复数表示

1.5.3 表示频率特性的伯德图

1.5.4 开环增益的伯德图

1.5.5 伯德的稳定辨别法

【专栏】 与模拟IC设计有关的参考文献介绍

第2章 通用运算放大器IC 4558的分析

2.1 4558的基本电路分析

2.1.1 原型名为RC4558

2.1.2 电流镜像(Current Miirror)电路的基本原理

2.1.3 插入发射极电阻的电流镜像电路

2.1.4 RC4558内部的电流镜像电路

2.1.5 把电流镜像当成负载的差动放大电路

【专栏】 插入发射极电阻的电流镜像的分析

2.1.6 达林顿连接电路

2.1.7 互补发射极跟随器(Complernentary Emitter Follower)

2.1.8 输出级的工作等级

2.1.9 输出级偏压的温度补偿

2.2 4558的等效电路与电气特性

2.2.1 晶体管的小信号等效电路

2.2.2 局部的h参数从略的小信号等效电路

2.2.3 电流镜像负载差动放大电路的小信号等效电路

2.2.4 发射极跟随器的小信号等效电路

2.2.5 RC4558的开环增益相对于频率的特性

2.2.6 转换速率与相位补偿电容的关系

2.2.7 转换速率与增益带宽的关系

2.2.8 4558的噪声一失真率特性

2.2.9 4558的DC特性

第3章 用电路模拟器制作的正规运算放大器

3.1 使用SPICE模拟分析模拟电路

3.1.1 为何要使用电路模拟器

3.1.2 什么是SPICE

3.1.3 SPICE的电路文件(File)

3.1.4 仍须模型参数(Model Parameter)

第4章 基于晶体管优于IC的运算放大器设计

第5章 通用运算放大IC的分析

第6章 高精度、低噪音运算放大器IC的分析

第7章 高速宽频带运算放大器的分析

第8章 CMOS型运算放大器IC的分析

参考文献

《电子元器件应用技术:基于OP放大器与晶体管的放大电路设计》内容难易适中、图文并茂，可供从事运算放大器内部电路设计的读者使用，也可作为电子、信息工程等专业师生和相关专业科研人员的参考用书。

作者:(日本)黑田彻 译者:何中庸

黑田彻 1945年生于日本兵库县，1970年日本神户大学经济学部(系)毕业，1971年进入日本电音(株)公司技术部工作，1972年辞职，现任黑田电子技术研究所所长。

按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类。

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例μA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid>1GΩ~1TΩ，IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。当前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、μA715等，其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V~±18V，消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电。

运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V，μA791集成运放的输出电流可达1A。

在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出，就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍，输入信号为1mv时，输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时，输出就只有1mv，为了得到10mv就必须改变放大倍数为100。程控运放就是为了解决这一问题而产生的。例如PGA103A，通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数。

第1章 op放大器应用技巧须知1.

1 op放大器的应用范围1

2 op放大器电源电压2

3 通用op放大器6

4 温度范围越宽的op放大器其价格越高9

5 一个封装内可含有1个、2个、4个电路10

6 单路op放大器的补偿电压较小11

7 当驱动负载时使用容性负载强的op放大器13

8 输出电流为数十毫安以上的op放大器16

9 当输入可能过大时输入保护电路是必要的17

10 op放大器对外输出时的保护电路20

第2章 单电源/低功率op放大器应用技巧23

11 如何使用单电源op放大器23

12 通用op放大器不能在单电源下工作吗25

13 通用op放大器与单电源op放大器在结构上的差异26

14 共模输入输出的op放大器是如何构成的28

15 保证输出电平不跳跃的单电源op放大器29

16 单电源工作中不能完全0v输出时可采用电平移动30

17 coms型单电源op放大器带容性负载的能力较弱32

18 设定工作电流实现低功耗的op放大器33

.19 通过外部连接设定工作电流的低功耗的op放大器35

20 改善dc特性的低功耗op放大器36

21 高速用途的低功耗op放大器37第3章高精度op放大器的应用技巧39

22 低补偿电压op放大器的微调技术39

23 使用双极输入型的高精度op放大器比较容易些41

24 减小双极输入型op放大器的偏置电流的技术43

25 coms斩波op放大器的低频噪声要大45

26 高精度mv级的dc放大器必须具备输入滤波器48

27 补偿调整范围狭窄的高精度op放大器50

28 高精度电路应缩小调整范围52

29 采用更换固定电阻的方法来增大调整范围54

30 同相放大器也可应用于高精度电路中--op放大器的cmrr要大55

31 高精度op放大器应选cmrr大的56

32 op放大电路的模拟接地应采用一点接地的方式58

33 不能一点接地时的对策59

34 高精度mv级放大器旁边不能放置发热器件60

35 微弱信号的op放大电路特别要注意电源去耦61

第4章 微小电流op放大器的应用技巧65

36 mos fet输入型是微小电流op放大器的主流65

37 使用微小电流op放大器的技术66

38 微小电流op放大器实现了fa级信号的放大68

39 微小输入偏置电流的测定方法70

40 微小电流电路中防止漏电流的技巧71

41 要注意光电传感器的i-v转换电路容易引起振荡72

42 i-v转换电路中用相位补偿来防止振荡是必要的74

43 i-v转换电路的输入保护电路75

44 用低噪声同轴导线作为i-v转换电路的信号线77

45 i-v转换电路的噪声电压的计算方法78

46 在i-v转换电路中反馈电阻rf应尽可能的大80

47 使用高精度op放大器的i-v转换电路81

48 对于微小电流电路要注意并消除静电噪声83

第5章 低噪声op放大器的应用技巧87..

49 低噪声电路应注意噪声频率特性87

50 噪声电压的计算重点是决定阻值的参量90

51 通过阻抗中的电阻成分来计算并联rc电路的噪声92

52 用并联接法来减小噪声94

53 在低噪声电路中低噪声器件是很有用的96

【专栏】噪声的res与峰值的关系98

第6章 高速op放大器的应用技巧101

54 高速op放大器的结构101

55 高速电流反馈型op放大器103

56 电流反馈型op放大器的互补阻抗越大则精度越高105

57 高速电路中信号的振幅应尽量小107

58 电流反馈型op放大器的注意事项108

59 高速a-d转换器的输入采用低失真高速op放大器110

【专栏】所谓sfdr(spurious free dynamic range)112

60 高速op放大器带容性负载能力弱(也有带容性负载强的op放大器)113

61 高速op放大器装配时注意寄生电容116

62 每个高速op放大器的电源管脚上附加旁路电容117

第7章 op放大器的稳定性及其避免自激振荡的应用技巧119

63 从噪声增益可知反相与同相电路的稳定度是不同的119

64 输入电容引起op放大器的振荡121

65 容性负载引起op放大器的振荡122

66 通过相位补偿来消除振荡123

67 相位裕度的简单的测量方法126

68 对于相位滞后小的高增益的op放大器应采用多级串联的方法127

第8章 op放大器放大电路的应用技巧131

69 交流输入高阻抗的缓冲电路应注意其输入电容131

70 单电源为差动放大器供电的方法133

71 扩大差动放大器共模电压范围的方法136

72 确保高增益放大器的频率特性的方法137

73 低噪声op放大器应用于可程控增益的放大电路139

74 要求低噪声的电荷放大器电路141

75 在大功率mos驱动器中应使用带容性负载强的op放大器143

76 用单电源op放大器制作加速度传感器电源的电路(3v/1.25a)145

77 使用低功耗op放大器的高稳压源电路146

78 信号隔离时可使用隔离放大器148

79 使用低功耗op放大器和光耦器件的电流耦合隔离放大器150

第9章 阻抗匹配和滤波电路的应用技巧153

80 交流输入时通过阻抗匹配进行频率补偿是不可缺少的153

81 通过反相放大器构成阻抗匹配器155

82 用固定阻抗来设计高频匹配器157

83 使用正反馈电路进行动态高通滤波159

84 多重反馈型带通滤波器的q值不能太大161

85 当q值较大时，带通滤波器使用双重截止型滤波器163

86 可变状态型滤波器与双重截止型滤波器的区别165

87 噪声分析中使用1/3通频带滤波电路167

88 高次滤波采用模拟lc型是有效的171

89 无需调整的1/3通频带滤波电路172

第10章 非线性op放大器的应用技巧177

90 通过齐纳二极管限制输出177

91 在电压输出端正确使用限幅器179

92 高速限幅电路使用具有限幅功能的高速op放大器181

93 增大绝对值放大器的动态范围的方法184

94 有效地使用单电源op放大器的绝对值放大器186

95 乘法器ic构成低成本的rms-dc变换电路188

96 峰值保持电路的必要小技巧191

第11章 实践应用技巧193

97 对于视频范围内采用视频专用放大器也是有效的193

98 即使切换视频信号也可用通用的模拟开关195

99 对于10mhz以上的模拟开关用pin二极管是有效的197

100 制作基准电压时要注意的事项--tl431的自激振荡198

附录 本书引用的op放大器的引脚排列图201

参考文献...

该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。

该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。

CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。

增益带宽积是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。

该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。

该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB通常以pA/°C为单位表示。

该参数是指流入两个输入端的电流之差。

该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以pA/°C为单位表示。

该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。

该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。

该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。

表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd通常定义在空载情况下。

该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。

该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/µs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。

该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。

该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。

该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。

输入失调电压温漂(TCVOS)

该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以µV/°C为单位表示。

CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)。

该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时，所允许的输入电压的范围，VIN通常定义在指定的电源电压下。

对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，eN通常以 nV / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。

对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pA / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。

理想运算放大器参数:差模放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、上限频率均无穷大;输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂，以及噪声均为零。