运算放大器应用电路设计PDF电子书下载

第1篇 基础知识篇 3

第1章　导论 3

1.1　放大电路的作用 3

1.2　难学晶体管电路的原因 3

1.2.1 直流工作与交流工作需要分别处理 3

1.2.2 参数多且离散性大 4

1.2.3 理解晶体管电路工作原理的重要性 5

1.3　先掌握运算放大器电路的必要性 6

【专栏】 国际单位制词头与希腊字母 7

第2章　概述 9

2.1　何谓运算放大器 9

2.1.1 运算放大器的诞生 9

2.1.2 作为理想元件处理 9

2.1.3 增益仅由电阻比决定 10

2.1.4 直流工作与交流工作不需要分开处理 10

2.2　运算放大器的特性参数 11

2.2.1 本书中列举的运算放大器 11

2.2.2 表示使用上极限值的“绝对最大额定值” 11

2.2.3 表示工作时性能的“电气特性” 12

【专栏】 分贝 19

第3章　运算放大器的基础知识 21

3.1　电源的选用 21

3.1.1 电源的重要性 21

3.1.2 单电源工作方式与双电源工作方式 22

3.1.3 电源电压的大小 22

3.1.4 使用双电源时的电源接通顺序 23

3.1.5 旁路电容的接入 24

3.2　使用注意事项 25

3.2.1 未使用的运算放大器端子的处理 25

3.2.2 与外设连接时的处理 25

3.2.3 交调失真 26

【专栏】 运算放大器电路中使用的两个电气定律 26

3.3　运算放大器的种类与使用 27

3.3.1 运算放大器的种类 27

3.3.2 通用运算放大器 28

3.3.3 运算放大器的使用 28

3.3.4 双极型运算放大器与CMOS运算放大器的使用 29

第4章　运算放大器的基本工作原理 31

4.1　各端子的工作情况 31

4.1.1 运算放大器的两个输入端与一个输出端 31

4.1.2 运算放大器不加电源时不工作 32

4.2　信号放大时的运算放大器工作原理 32

4.2.1 两个输入端间电压差恒为0V 32

4.2.2 虚短路应用实例 34

4.2.3 通过实验观察虚短路 34

第2篇　使用篇 39

第5章　动态范围 39

5.1　确保宽动态范围 39

5.1.1 输入与输出动态范围 39

5.1.2 数据表中运算放大器的动态范围 39

5.1.3 通过实验观察运算放大器的动态范围 40

5.2　增大输出电流的方法 44

5.2.1 负载电流增大则输出动态范围变窄 44

5.2.2　增设缓冲器 45

5.2.3　增设偏置电路 46

【专栏】 术语 47

第6章　负反馈的使用 49

6.1 负反馈对各种特性的改善效果 49

6.1.1 增益精度的提高 49

6.1.2 噪声与失真的降低 53

6.1.3　输出阻抗的降低 54

【专栏】 负反馈 55

6.2　通过实验观察负反馈的效果 57

6.2.1 输出阻抗的降低 57

6.2.2 输入阻抗的增大 57

第7章 降低输出失调电压的方法 59

7.1　输出失调电压发生的原因与计算 59

7.1.1 用噪声增益进行评价 59

7.1.2 输入换算失调电压与输入偏置电流 59

7.2　降低输入换算失调电压的方法 60

7.2.1 方法① 60

7.2.2 方法② 61

7.2.3 方法③ 61

【专栏】　噪声增益 62

7.3　减小输入偏置电流影响的方法 64

7.3.1 调整与反相端与同相端连接的电阻值 64

7.3.2　RB阻值的选择 64

7.3.3 失调电压的温度特性 65

7.4　通过实验观察输出失调电压降低的效果 67

7.4.1 有无RB与输出失调电压的变化 67

7.4.2 降低失调的窍门与秘诀 68

7.4.3 通过实验观察降低失调的窍门 69

第8章　基本放大电路 71

8.1　反相放大电路 71

8.1.1 反相放大电路中可忽略CMRR 71

8.1.2 反相放大电路的输入阻抗低 72

8.1.3 交流反相放大电路 72

8.2　T型反馈电路 72

8.2.1 T型反馈电路的优点 72

8.2.2 噪声增益的增大 73

8.3　同相放大电路 74

8.3.1 CMRR引起同相放大电路误差的增大 74

8.3.2 同相放大电路的输入阻抗高 74

8.3.3 交流同相放大电路的输入阻抗 74

8.4 自举电路 75

8.4.1 增大交流同相放大电路输入阻抗的方法 75

8.4.2 增大反相放大电路输入阻抗的方法 76

8.5　可调电阻的使用方法 76

8.5.1 基本构造 76

8.5.2 可调电阻与电位器 76

8.5.3 碳膜可调电阻的使用方式 77

8.5.4　基本选用方式 77

8.6　增益与电平的调整方法 78

8.6.1 电平调整 78

8.6.2 增益调整 79

8.6.3 增益与电平的切换 80

8.6.4 通过实验观察增益调整情况 81

【专栏】 E系列数值与允许误差及符号 83

第9章　积分电路与微分电路 85

9.1　积分电路 85

9.1.1 积分电路的概念 85

9.1.2　RC积分电路 86

9.1.3 简化伯德图的画法 87

9.1.4　RC积分电路的实验 89

9.1.5 密勒积分电路 90

9.1.6 运算放大器积分电路的误差 91

9.1.7 通过实验观察积分电路 93

9.1.8 加速电阻 94

9.1.9　各种积分电路 95

9.2　微分电路 96

9.2.1 微分电路的概念 96

9.2.2　RC微分电路 97

9.2.3 通过实验观察RC微分电路 98

9.2.4　运算放大器微分电路 99

9.2.5 通过实验观察微分电路 100

9.3　复习基本的交流理论 101

9.3.1 交流电压与交流电流的时间表示方式 101

9.3.2 交流电压与交流电流的频率表示方式 101

9.3.3 瞬态时用s，稳态时用jω 103

9.3.4 电阻的交流表示方式——阻抗与导纳 103

第10章　振荡的原因及对策 105

10.1　放大电路振荡的条件 105

10.1.1 运算放大器振荡时的输出波形 105

10.1.2 振荡条件——Aβ=-1 106

10.2　设计不振荡放大电路的基础知识 107

10.2.1 利用伯德图判断放大电路是否振荡 107

10.2.2 增益裕量和相位裕量的最佳值 107

10.2.3 2次滞后电路容易振荡 108

10.2.4 2次滞后电路负反馈时的响应 108

10.3　运算放大器放大电路的不振荡设计 110

10.3.1 消除输入电容引起的电路工作的不稳定 110

10.3.2 消除负载电容引起的电路工作的不稳定 113

10.4　微分电路振荡的对策 115

10.4.1 微分电路容易振荡 115

10.4.2 典型失败实例 115

10.4.3 对策 117

10.5 除运算放大器IC外的振荡因素的对策 117

10.5.1 增设射极跟随器时要接入电阻 117

10.5.2 注意配线引起相位的旋转 117

第11章 降低噪声的对策 119

11.1 主要的固有噪声 119

11.1.1 感应噪声以外的噪声——固有噪声 119

11.1.2 固有噪声的构成要素 119

11.2 固有噪声的性质 120

11.2.1 频率特性 120

11.2.2 时间变化 121

11.3　噪声电平的基本处理方式 122

11.3.1 噪声源为两个以上时的噪声电平 122

11.3.2 表示噪声频带的“等效噪声带宽” 122

11.4　构成固有噪声的各种噪声 124

11.4.1 能量消耗时产生的“热噪声” 124

11.4.2 半导体内部产生的“散粒噪声” 125

11.4.3 电导率变化产生的“接触噪声” 125

11.4.4 两个电极分别流经电流时产生的“分配噪声” 126

11.5　运算放大器放大电路的噪声 126

11.5.1 运算放大器IC噪声的计算方法 126

11.5.2 运算放大器放大电路的低噪声化技术 130

【专栏】 有关噪声的统计术语 132

11.5.3 有关参考文献 132

第3篇 应用电路篇 135

第12章 差动放大电路的设计 135

12.1　差动放大电路的基本工作原理 135

12.1.1 差模信号与共模信号 135

12.1.2 共模信号 136

12.1.3 共模信号产生的原因 136

12.1.4 单端放大电路与差动放大电路的工作原理 137

12.1.5　基本电路与工作原理 138

12.2　影响CMRR的三个因素 139

12.2.1 影响差动放大电路误差的因素 139

12.2.2 运算放大器IC自身的CMRR引起的误差 139

12.2.3　使用电阻引起的误差 140

12.2.4 信号源阻抗引起的误差 141

12.3　实用差动放大电路 142

12.3.1 不受信号源阻抗影响的电路 142

12.3.2 输入级放大电路具有较大增益的仪用放大器 142

12.3.3 高输入阻抗的差动放大电路 144

12.3.4 反转型差动放大电路 146

12.4　差动放大电路的调整 148

12.4.1 调整目的 148

12.4.2　调整方法 148

12.5　实际仪用放大器IC 150

12.5.1 AD622与AD623A 150

12.5.2 失调电压与失调电流 152

12.6　差动放大电路的动态范围 152

12.6.1 输入的动态范围很重要 152

12.6.2 用单电源工作时差动放大电路的动态范围 153

12.7　各种差动放大电路的CMRR与输入输出特性 155

12.7.1 特性的实测 155

12.7.2 类型Ⅰ的特征 159

12.7.3 类型Ⅱ和类型Ⅲ的特征 159

12.8 可靠工作的有关技术 159

12.8.1 充分发挥CMRR的特性 159

12.8.2 二极管保护电路与CMRR 159

12.8.3 旁路电容与偏置电阻 160

12.9　获得更高CMRR特性的方法 160

12.9.1 浮置电源 161

12.9.2　输入虑波器 161

12.9.3　输入电缆 162

第13章　恒流电路与基准电压电路 165

13.1　恒流电路 165

13.1.1 恒流电路的概况 165

13.1.2　基本电路 166

13.1.3　其他恒流电路 167

13.1.4 功能等效电路的利用 167

13.1.5 输出电流的动态范围 168

13.1.6 提高精度的关键问题 169

13.2　实际恒流电路的特性 169

13.2.1 实验 169

13.2.2 实验结果 170

13.3　直流基准电压电路的设计 172

13.3.1 基准电压电路 172

13.3.2 实际IC及其使用 172

13.3.3 高精度基准电压电路 173

第14章 电压－电流转换电路 175

14.1 电压转换为电流的电路 175

14.1.1 基本放大电路的转换电路 175

14.1.2 使地基准负载具有恒流的差动放大电路的转换电路 176

14.1.3 一个运算放大器的电压－电流转换电路 177

14.1.4 负载电阻不能过大 178

14.1.5 实际电压－电流转换电路的工作原理 178

14.1.6 仪表用电流环的应用 181

14.2　电流转换为电压的电路 181

14.2.1 电源线上电流的检测 182

14.2.2 电源电流检测电路的输入输出特性 184

14.2.3 电流－电压转换电路的工作原理与设计要点 184

第15章　加减运算电路 187

15.1　加减运算电路 187

15.1.1 基本电路 187

15.1.2 实际的加减运算电路 188

15.2　单电源工作的加减运算电路 189

15.2.1 只对交流信号进行加减运算的电路 189

15.2.2 直接加法电路 189

第16章 比较器电路 193

16.1　非线性电路 193

16.1.1 各种非线性电路 193

16.1.2 滞留时间 194

16.2 比较器IC 195

16.2.1 比较器的基础知识 195

16.2.2 比较器与运算放大器的区别 196

16.3　各种比较器电路 202

16.3.1　基本电路 202

16.3.2 电流加法比较器电路 202

16.3.3 回差比较器电路 203

16.3.4　接口电路 204

16.4　比较器电路的实验 204

16.4.1 回差比较器 204

16.4.2 电流加法比较器 206

16.4.3 运算放大器与比较器构成的接口电路 206

16.5　防止噪声引起误动作的方法 207

16.5.1 必须接入电源旁路电容 207

16.5.2 具有回差特性 207

16.5.3 比较器输入前的信号进行放大 207

16.5.4　接入滤波器 208

16.5.5 响应速度需要的最低限 208

16.6 比较器的应用 209

16.6.1 PWM调制电路 209

16.6.2 窗口比较器 209

16.6.3 电平检测电路 209

第17章 二极管应用电路 213

17.1 二极管的基础知识 213

17.1.1 基本特性 213

17.1.2 二极管的选择与使用 216

17.2　同相理想二极管电路 217

17.2.1 理想二极管电路 217

17.2.2 同相理想二极管电路的基本工作原理 217

17.3　反相理想二极管电路 219

17.3.1 反相理想二极管电路 219

17.3.2 基本工作原理 219

17.4　绝对值电路 220

17.4.1 绝对值电路（取出输入信号绝对值的电路） 220

17.4.2 电路的工作原理 221

17.4.3 失调可调整的绝对值电路 221

17.4.4　各种绝对值电路 222

17.5　理想二极管电路特性的改善方法 223

17.5.1 高频特性的改善 223

17.5.2 直流特性的改善 224

17.6　线性检波电路 224

17.6.1 线性检波电路（求出绝对平均值的电路） 224

17.6.2 高精度化与宽带化的方法 224

17.7　峰值保持电路 225

17.7.1 峰值保持电路（保持峰值的电路） 225

17.7.2 实用峰值保持电路的设计 226

17.7.3 比较器构成的高速峰值保持电路 226

17.8　限幅电路 227

17.8.1 限幅电路（将信号电平抑制在某值以下的电路） 227

17.8.2 限幅电路的应用（防止饱和的电路） 228

17.9　折线近似电路 229

第18章　有源滤波器 231

18.1　有源滤波器的基础知识 231

18.2　用有源滤波器替换无源滤波器 232

18.2.1 无源滤波器和有源滤波器的工作原理 232

18.2.2 2节RC 1次滞后电路＋正反馈构成LC无源LPF 233

18.2.3 图18.4与图18.3示出相同特性 234

18.3　有源滤波器设计的自由度大 236

【专栏】 表示对通过滤波器信号波形影响的“群延迟” 237

18.4　五种滤波器 237

18.5 1次／2次滤波器的传递函数与频率特性的关系 238

18.5.1 LPF的传递函数与频率特性 239

18.5.2　HPF的传递函数与频率特性 240

18.5.3 2次BPF的传递函数与频率特性 242

18.5.4 2次BEF的传递函数与频率特性 242

18.5.5 APF的传递函数与频率特性 243

【专栏】 滤波器的传递函数 244

第19章 有源低通滤波器的设计 247

19.1　LPF设计步骤 247

19.1.1 步骤①——选择频率特性 247

19.1.2 步骤②——决定电路方式与常数 249

19.1.3 通过仿真确认频率特性 250

19.2　Sallen-Key LPF设计实例 250

19.2.1　Sallen-Key电路 250

19.2.2 利用正规化表求出传递函数 254

19.2.3　决定常数 254

19.2.4　通过仿真确认特性 258

19.2.5 元件误差对特性影响的研究 259

19.3　实用LPF设计的先进技术 260

19.3.1 扩大动态范围（后接高Q值电路） 260

19.3.2 减小噪声（在前级接高Q值的电路） 260

19.3.3 奇次Sallen-Key LPF的泄漏小 261

19.3.4　直流失调输出的对策 261

19.4　Sallen-Key电路＋1个电阻构成高性能的多重反馈型LPF 262

19.4.1 失真小，直流增益可自由设定 262

19.4.2 多重反馈型LPF的缺点 262

19.5 LC模拟滤波器 263

19.6 LC模拟滤波器的典型电路——“FDNR滤波器”的设计 264

19.6.1 FDNR（输入阻抗特性与频率平方成反比例的电路） 264

19.6.2 设计步骤 264

19.6.3 频率特性偏差大但增益偏差小 266

第20章 高通、带通、带阻及全通滤波器的设计 267

20.1 高通滤波器HPF的设计 267

20.1.1 设计步骤与LPF相同 267

20.1.2 Sallen-Key HPF的设计 267

20.1.3 有源HPF的缺点 268

20.2 带通滤波器BPF的设计 269

20.2.1 常数计算的基本步骤 269

20.2.2 多重反馈型BPF 270

20.2.3 DAPF型BPF 271

20.3 带阻滤波器BEF的设计 272

20.3.1 传递函数与常用电路 272

20.3.2 BEF的应用实例 274

20.3.3 f0的调整 274

20.3.4 调整后的特性 276

20.3.5 失真成分提取电路的应用 277

【专栏】 高精度滤波器的调整方法 278

20.4 全通滤波器APF的设计 279

第21章 RC正弦波振荡电路 281

21.1 正弦波振荡电路的种类与选用 281

21.1.1 按频率选择电路可分为三类 281

21.1.2 着眼于振荡频率 282

21.1.3 着眼于振荡频率的稳定度 282

21.1.4 减小高次谐波失真率时 282

21.2 RC振荡电路的工作原理 282

21.2.1 RC振荡电路是有源BPF的扩展电路 282

21.2.2 与负反馈振荡电路的不同之处 282

21.2.3 振荡启动条件（Aβ＞1加上触发信号） 283

21.2.4 振荡开始后振幅与频率保持恒定 283

21.3 各种RC振荡电路 284

21.3.1 文氏电桥振荡电路 284

21.3.2 桥式T型振荡电路 284

21.3.3 状态变量型振荡电路 286

21.4 RC振荡电路的核心部分“振幅控制电路” 287

21.4.1 振幅控制电路 287

21.4.2 实用的振幅控制电路 287

21.4.3 高次谐波失真的产生 288

21.5 频率可变的情况 289

21.6 RC振荡电路的实验 290

21.6.1 文氏电桥振荡电路 290

21.6.2 桥式T型振荡电路 291

21.6.3 状态变量型振荡电路 292

【专栏】 传递函数与s平面 293

第22章 LC正弦波振荡电路 297

22.1 LC振荡电路的特征与基本工作原理 297

22.1.1 得到比RC振荡电路失真低的特性 297

22.1.2 将有源元件换成电流－电压变换元件 297

22.1.3 科耳皮兹与哈脱莱振荡电路 298

22.1.4 实际的振荡电路 299

22.2 科耳皮兹振荡电路 300

22.2.1 负反馈电路中接入电阻与有源元件可得到必要的增益 300

22.2.2 实际的振荡形式 302

22.3 哈脱莱振荡电路 302

22.3.1 按照大概计算得到常数的工作情况 302

22.3.2 实际电路（使用带抽头的电感线圈） 303

22.3.3 实际振荡情况 303

22.4 富兰克林振荡电路 304

22.4.1 控制放大电路特性就能稳定振荡 304

22.4.2 用一个反相器时元件选择很麻烦 305

22.4.3 实际振荡情况 305

22.5 各种LC振荡电路的频率稳定性 306

【专栏】 射极跟随器振荡的原因及对策 306

第23章 机械振子正弦波振荡电路 309

23.1 机械振子振荡电路的种类与特征 309

23.1.1 典型机械振子陶瓷与石英 309

23.1.2 机械振子以多个频率进行振荡 309

23.2 石英振子与陶瓷振子的不同之处 310

23.2.1 关注Qm与△f 310

23.2.2 振荡的形式 311

23.3 各种机械振子的振荡电路 312

23.3.1 萨巴洛夫振荡电路 312

23.3.2 泛音振荡电路 313

第24章 多谐振荡器与函数发生器 315

24.1 弛张振荡电路 316

24.1.1 由H/L电平状态存储电路与时间常数电路组成 316

24.1.2 在时域而不在频域分析工作情况 316

24.2 无稳态多谐振荡器 316

24.2.1 多谐振荡器 316

24.2.2 使用回差比较器构成自激多谐振荡器 317

24.2.3 占空比可变的自激多谐振荡器 321

24.2.4 使用逻辑反相器IC构成的自激多谐振荡器 322

24.2.5 自激多谐振荡器专用IC 323

24.2.6 IC内置自激多谐振荡器 324

24.3 函数发生器 326

【专栏】 函数波形的有效值与平均值 332

参考及引用＊文献 335