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目录 1

第1章 通过亲手制作晶体管电路学习运算放大器 1

1.1　运算放大器的概述 1

1.1.1 运算放大器具备的五个基本端子 1

1.1.2 两个输入端子与一个输出端子 1

1.1.3　运算放大器的放大倍数——差动电压增益AvD 2

1.1.4 运算放大器的电源电压 2

1.1.5 理想运算放大器 2

1.2　五晶体管运算放大器的实验 3

1.2.1 运算放大器的内含——由晶体管组成的放大电路 3

1.2.2 制作五晶体管运算放大器 4

1.2.3 五晶体管运算放大器的电路制作 5

1.2.4 作为正向放大器的实验 8

1.2.5 电压跟随器电路的实验 11

1.2.6 反向放大器的实验 12

1.3　运算放大器的交流（AC）特性 13

1.3.1 最大输出电压振幅相对频率的特性 13

1.3.2 转换速率（Slew Rate） 13

1.3.3　其他的交流特性 14

1.4　运算放大器的直流（DC）特性 15

1.4.1 输入偏置电流IB与失调（Offset）电流IIO 15

1.4.2 输入失调电压VIO 15

1.4.3 最大输出电压相对负载电阻的特性 16

1.5　运算放大器以负反馈使用时的稳定性 17

1.5.1 放大器与振荡器本质相同 17

1.4.4 共模输入电压范围 17

1.5.2 增益用复数表示 18

1.5.3 表示频率特性的伯德图 19

1.5.4 开环增益的伯德图 20

1.5.5 伯德的稳定辨别法 20

【专栏】 与模拟IC设计有关的参考文献介绍 22

第2章 通用运算放大器IC 4558的分析 25

2.1　4558的基本电路分析 25

2.1.1 原型名为RC4558 25

2.1.2 电流镜像（Current Mirror）电路的基本原理 26

2.1.3 插入发射极电阻的电流镜像电路 27

2.1.4 RC4558内部的电流镜像电路 28

2.1.5 把电流镜像当成负载的差动放大电路 29

【专栏】　插入发射极电阻的电流镜像的分析 30

2.1.6　达林顿连接电路 32

2.1.7 互补发射极跟随器（Complementary Emitter Follower） 33

2.1.8　输出级的工作等级 35

2.1.9 输出级偏压的温度补偿 36

2.2　4558的等效电路与电气特性 36

2.2.1 晶体管的小信号等效电路 37

2.2.2 局部的h参数从略的小信号等效电路 37

2.2.3 电流镜像负载差动放大电路的小信号等效电路 38

2.2.4 发射极跟随器的小信号等效电路 39

2.2.5 RC4558的开环增益相对于频率的特性 39

2.2.6 转换速率与相位补偿电容的关系 42

2.2.8　4558的噪声-失真率特性 44

2.2.9 4558的DC特性 44

2.2.7 转换速率与增益带宽的关系 44

第3章 用电路模拟器制作的正规运算放大器 49

3.1　使用SPICE模拟分析模拟电路 49

3.1.1 为何要使用电路模拟器 49

3.1.2 什么是SPICE 49

3.1.3 SPICE的电路文件（File） 51

3.1.4 仍须模型参数（Model Parameter） 51

3.1.5 借助SPICE的模拟种类 52

3.1.6 五晶体管运算放大器的模拟 53

3.2　改进五晶体管运算放大器 58

3.2.1 为增加最大输出电流的改进 58

3.2.2 为增加开环增益的改进 60

3.2.3 输入失调电压最小化 63

3.2.4 输入失调电压增加的原因 64

3.2.5 削减输入失调电压的简单方法 66

3.2.6 利用电流镜像电路与达林顿电路削减输入失调电压 67

3.2.7 挑选初级差动晶体管的重要性 69

3.2.8 饱和防止电路 70

3.2.9 十晶体管正向放大器的频率特性 74

3.2.10 电源电压抑制比（Supply Voltage Rejection Ratio）的分析 78

3.2.11 十晶体管运算放大器的转换速率 80

附录A　供理解SPICE模型的晶体管的等效电路 81

A.1 对I-V特性的计算有帮助的Ebers-Moll模型 81

A.2　活性领域 82

A.3 反接领域（又叫逆向活性状态） 83

A.5 有助于频率特性计算的Hybrid π型模式 84

A.4 饱和领域（又叫饱和状态） 84

A.6 基极-有效基极间电导gx 85

A.7 互导gm 85

A.8 有效基极-发射极间电导gπ 85

A.9 Early电压 85

A.10 结电容 87

A.11 转移时间与扩散电容 87

A.12　fT与τF的关系 89

【专栏】 测试正向转移时间τF 92

附录B　频率特性的改善和对基极接地电路的复习 93

B.1 基极接地电路的特征 93

B.2　基极接地电路的输出静特性 94

B.3 基极接地电路的小信号等效电路 94

B.4　基极接地电路的输入电阻 95

B.5 基极接地电路的输出电阻rob 96

B.6 基极接地放大电路的电压增益 96

B.7 基极接地放大电路的高频带频率特性 97

B.8 被电流源驱动的基极接地电路 97

第4章 基于晶体管优于IC的运算放大器设计 99

4.1　为何必须用单个半导体放大器 99

4.1.1 运算放大器集成电路固有的弱点 99

4.1.2 基于单个半导体——晶体管的运算放大器电路 100

4.2　基于晶体管的运算放大器电路概述 100

4.2.1 所要设计的运算放大器电路的架构 101

4.2.2 采用Folded Cascode电路 101

4.3　设计初级FET差动电路须知 103

4.3.1 结型FET的基本特性 103

4.3.2 Cascode电路的电压增益与频率特性 105

4.3.3 初级FET的选择 106

4.3.4 第二级晶体管Tr1、Tr2与输出级Tr5、Tr6 107

4.4　应对基本电路充实内容 108

4.4.1 初级应做成Cascode Bootstrap 108

4.4.2 计算第二级输出电压的失真率 112

4.4.3 利用Cob消除电路促使失真率锐减 115

4.4.4 第二级的实际电路设计 116

4.4.5 抵消输出级晶体管的Cob 117

4.4.6 A级互补的Cob抵消电路 119

4.5　模拟、制作及实验 119

4.5.1 求相位补偿电容的最合适值 119

4.5.2 确认转换速率 124

4.5.4 印制电路基板 127

4.5.3 制作所使用的零件 127

4.5.5 电气特性的测试 129

附录C　对由Cob的电压依存性导致的失真进行分析计算 132

第5章　通用运算放大器IC的分析 137

5.1 Bi-FET型运算放大器TL07x系列的分析 138

5.1.1 Bi-FET制造过程（Process） 138

5.1.2 两种电流镜像（Current Mirror） 139

5.1.3 RC4558的初级电流镜像（图（a）） 139

5.1.4 TL07x的初级电流镜像（图（b）） 141

5.1.5 TL07x与TL08x的噪声特性 141

5.2 Bi-FET型运算放大器LF353的分析 143

5.2.1 Widler型电流镜像与Wilson型电流镜像 143

5.2.4 输出电流的限制电路 146

5.2.2 LF353的初级共源极电流 146

5.2.3 转换速率的计算 146

5.2.5 输出阻抗相对频率的特性 147

5.2.6 防止Q5饱和的电路 148

5.2.7 失真率特性与频率特性 148

5.3 Bipolar运算放大器NE5532的分析 150

5.3.1 输入端子间二极管的任务 150

5.3.2 电流镜像与饱和防止电路 151

5.3.3 横向（Lateral）PNP晶体管 152

5.3.4 前馈（Feed-forward）相位补偿 153

5.3.5 非对称AB级工作的输出级 155

6.1 高精度运算放大器的构成与OP07 157

6.1.1 高精度运算放大器 157

第6章 高精度、低噪声运算放大器IC的分析 157

6.1.2 输入偏置电流抵消电路 158

6.1.3 减小输入失调电压的窍门 160

6.1.4 OP07的AC特性与噪声特性 160

6.1.5 高精度运算放大器使用于DC伺服电路 161

6.2　低噪声运算放大器与噪声分析的基础 163

6.2.1 噪声波的大小以乘方平均值表示 163

【专栏】 总体均值（Ensemble average） 163

6.2.2 由电阻产生的热噪声 164

6.2.3　理想双极性晶体管的散粒噪声 165

6.2.4　理想双极性晶体管的噪声等效电路 166

6.2.5 差动放大电路的噪声等效电路 167

6.2.6 运算放大器的噪声等效电路 167

6.2.7 运算放大器的输入换算噪声电压密度 168

6.2.8 运算放大器的输入噪声电流密度 169

6.2.9 信号源电阻的影响 169

6.2.10 运算放大器的总输入噪声电压密度 170

6.2.11 反馈率的倒数——噪声增益（Noise gain） 172

6.3　低噪声运算放大器AD797的构成 172

6.3.1 AD797的开环增益 172

6.3.2 AD797的相位补偿电容 175

6.3.3 输出级的失真消除电路 175

第7章 高速宽频带运算放大器的分析 179

7.1　普通的高速宽频带运算放大器 179

7.1.1 高速宽频带运算放大器有两种类型 179

7.1.2 形成高速PNP晶体管的VIP Process的LM61系列 179

7.1.3 LM6361/6364以局部电流反馈稳定化 181

【专栏】 有关局部电流反馈 182

7.1.4 确认开环增益的结果 182

7.1.5 负载电容大，仍不致振荡的结构 183

7.1.6 LM6361系列的其他特性 183

7.1.7 LM6361系列上位依赖CB Process的AD847系列 184

7.1.8 达林顿输出级仍具强而有力的电容负载结构 185

7.1.9 JFET源极跟随器输入的OPA655（DG与DP小） 186

7.2 截止频率不变化的电流反馈型运算放大器 187

7.2.1 普通的运算放大器与电压反馈型运算放大器的缺点 187

7.2.2 电流反馈型运算放大器的工作原理 188

7.2.3 转移阻抗（Trans-impedance）的概念 190

7.2.4 以反向放大器使用时的闭环增益 193

7.2.6 转换速率受限制的原因 194

7.2.5 如何看待电流反馈型运算放大器的 194

输出阻抗 194

7.2.7 容许差动输入电压低，需加注意 195

7.2.8 宽频带AC-DC变换器上的应用 195

7.3　JFET输入高速宽频带运算放大器 196

7.3.1 基于CB Process的AD845 198

7.3.2 基于Difet Process的OPA627/637 199

7.3.3 显示高速性的重要参数——上升时间 200

7.3.4 OPA627在宽频带平衡放大器方面的应用 201

7.3.5 什么是平衡放大器上的共模抑制比 202

7.3.6 改善CMRR的同相负反馈技术 203

8.1 CMOS运算放大器的出现与高性能化 205

8.1.1 低功耗化与Rail-to-Rail动作 205

第8章 CMOS型运算放大器IC的分析 205

8.1.2 CMOS Rail-to-Rail运算放大器AD8532 206

8.1.3 低失真的运算放大器OPA340/350/2340/2350 208

8.1.4 R-R输入特有的中间摆动失真，需加注意 210

8.1.5 避免中间摆动失真的方法 210

8.1.6 CMOS的低噪声运算放大器LMV751 212

8.2　更进一步发展的CMOS运算放大器族群 214

8.2.1 自行补正输入失调电压的CMOS运算放大器TLC4501/4502 214

8.2.2 消除失调电压的结构 215

8.2.3 使用TLC4501的高精度电压源 217

8.2.4 在2V以下工作的CMOS运算放大器NJU7096 218

8.2.5 在低电源电压稳定振荡的正弦波振荡器方面的应用 219

参考文献 223