基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计（原书第4版 精编版） 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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内容简介

本书全面阐述以运算放大器和模拟集成电路为主要器件的电路原理、设计方法和实际应用。详细介绍了运算放大器的基本原理和应用、诸多工程实际问题，后介绍面向各种应用的电路设计方法。本书作为第4版，更透彻地阐述了负反馈和电路设计布局，新增了电流反馈放大器、开关稳压器和锁相环的内容。

目录

目　　录
出版者的话
译者序
前言
第1章　运算放大器基础1
　1.1　放大器基础2
　1.2　运算放大器4
　1.3　基本运算放大器结构5
　1.4　理想运算放大器电路分析10
　1.5　负反馈15
　1.6　运算放大器电路中的反馈20
　1.7　环路增益和布莱克曼公式25
　1.8　运算放大器的供电31
　习题35
　参考文献42
　附录42
第2章　电阻反馈电路44
　2.1　电流-电压转换器44
　2.2　电压-电流转换器46
　2.3　电流放大器51
　2.4　差分放大器52
　2.5　仪表放大器56
　2.6　仪表应用61
　2.7　传感器桥式放大器64
　习题69
　参考文献73
第3章　静态运算放大器的限制74
　3.1　简化运算放大器电路图75
　3.2　输入偏置电流和输出失调电流79
　3.3　低输入偏置电流运放82
　3.4　输入失调电压85
　3.5　低输入失调电压89
　3.6　输入失调误差和补偿技术92
　3.7　输入电压范围和输出电压摆动95
　3.8　最大额定值100
　习题101
　参考文献104
　附录105
第4章　动态运算放大器的限制113
　4.1　开环响应113
　4.2　闭环响应117
　4.3　输入和输出阻抗122
　4.4　瞬态响应125
　4.5　有限增益带宽积对积分电路的影响130
　4.6　有限GBP对滤波器的影响135
　4.7　电流反馈放大器139
　习题146
　参考文献150
第5章　噪声151
　5.1　噪声特性152
　5.2　噪声的动态分析155
　5.3　噪声源158
　5.4　运算放大器中的噪声162
　5.5　光敏二极管放大器中的噪声167
　5.6　低噪声运算放大器170
　习题172
　参考文献175
第6章　稳定性176
　6.1　稳定性问题176
　6.2　相位裕度和增益裕度的测量183
　6.3　运算放大器的频率补偿188
　6.4　有反馈极点的运算放大器电路197
　6.5　输入时延补偿和超前反馈补偿203
　6.6　电流反馈放大器电路的稳定性207
　6.7　复合放大器209
　习题213
　参考文献218
第7章　非线性电路219
　7.1　电压比较器219
　7.2　比较器应用224
　7.3　施密特触发器230
　7.4　精密整流器234
　7.5　模拟开关238
　7.6　峰值检测器242
　7.7　采样-保持放大器245
　习题249
　参考文献252
第8章　信号发生器253
　8.1　正弦波发生器254
　8.2　多谐振荡器258
　8.3　单片定时器264
　8.4　三角波发生器268
　8.5　锯齿波发生器272
　8.6　单片波形发生器273
　8.7　V-F转换器和F-V转换器279
　习题284
　参考文献287
第9章　电压基准与稳压电源288
　9.1　性能要求289
　9.2　电压基准293
　9.3　电压基准应用297
　9.4　线性稳压电源300
　9.5　线性稳压电源应用304
　9.6　开关稳压电源310
　9.7　误差放大器317
　9.8　电压模式控制318
　9.9　峰值电流模式控制（PCMC）322
　9.10　boost型变换器的PCMC330
　习题335
　参考文献338

前言/序言

前　　言在近十多年中，由于数字电子技术的飞速发展，有很多关于几乎不再需要模拟电路的预言。在远没有证实这种预言是否正确之前，这一论点已经挑起了相反的辩驳，可以概括为：“倘若你无法用数字的方法来实现设计的话，就可以用模拟的方式来完成。”更为甚者，一般都有这样一种误解，比起数字设计这种系统化的技术而言，似乎模拟设计是一种更为玄乎和捉摸不定的艺术。对于受困惑的学生来说如何来理解这一争论？继续选修某些模拟电子学方面的课程是否值得？抑或最好还是仅仅将精力集中在数字电路方面？毋庸置疑，传统上隶属于模拟电子学领域的许多功能，今天都用数字形式实现了。其中最为常见的例子就是数字音响。在这个应用中，由拾音器和其他的声音传感器产生的模拟信号被一些放大器和滤波器进行适当的调整，然后转换为数字形式做进一步处理，如混合、编辑和产生某些特殊效果，以及更多的是为了进行传输、存储和提取等琐碎却同样重要的工作。最后，数字信号被转换回模拟信号并经由扬声器播放出来。之所以想用数字方法实现尽可能多的功能的主要理由之一是数字电路的高可靠性和高灵活性。然而，物理世界本来就是模拟的。这表明，总是需要模拟电路去适应这些物理信号，像与传感器相连的电路，以及把模拟信息转换为数字信息，再从数字转换到模拟以供物理世界进一步处理的模拟电路。再者，考虑到速度和功率的因素，采用模拟前端电路更具优势。新的应用领域不断出现，无线通信就是一个很好的例子。
的确如此，当今的许多应用是由混合模式的集成电路（混合模式IC）和系统组成的，它们依赖模拟电路来与物理世界对接，而数字电路则用作处理和控制。即便这个模拟电路或许仅占这块芯片面积的一小部分，但它往往却是设计中极具挑战性的部分，并且在整个系统的性能上起着关键作用。在这一方面，通常所谓的模拟设计师就要用明确的数字工艺为实现模拟功能的任务构思出独创性的解决方案；滤波中的开关电容技术和数据转换中的∑-D技术就是大家所熟知的例子。出于以上原因，企业对有能力的模拟设计师的需求仍然很强盛。即使是纯数字电路，当将它们推向运算极限时，它们还是要呈现模拟的行为特性。因此，对模拟电路设计原理和技术的牢固掌握在任何IC（无论是数字或是纯模拟的IC）设计中都是一笔宝贵的财富。
关于本书本书的目的是利用实际的元器件和应用说明一般的模拟原理和设计方法学。本书旨在作为本科生和研究生模拟集成电路（模拟IC）设计和应用方面的教科书，以及为工程师们提供实际参考。读者在电子学方面应具有初步基础，熟悉频域分析方法，并会使用PSpice。尽管本书包括的内容足够作为两个学期的课程，但是经适当挑选之后也能作为一个学期的基础课程。由于本书及其每一章一般都是按从简到繁、先易后难的顺序编写的，所以挑选过程是极易完成的。
在旧金山州立大学（San Francisco State University），这本书可作为两个一学期课程的系列课对待：一个是本科高年级，另一个是在研究生层次上。在本科高年级的课程中，可选第1～3章、第5章和第6章，以及第9章和第10章的大部分；在研究生的课程中，可选择全部。作为本科高年级的课程，它是与模拟IC制造和设计课程并行的。为了更有效地使用模拟IC，用户略知一点它们内部的工作原理（即便至少是定性的）是很重要的。为了满足这种需要，本书在一种设计决策上给出了工艺和电路因素的直观说明。
第4版新增内容新版的主要特点是：①介绍了一个全新版本的负反馈，②增加了运算放大器动态和频率概念的介绍，③扩展了开关调节器相关内容的覆盖范围，④对三极管和CMOS技术进行更平衡的介绍，⑤增加了使用PSpice的内容，以及⑥重新设计了例题和25%的章末习题，体现了版本更新。
此前版本对负反馈的阐述是从运算放大器使用者的特殊视角出发，而第4版提供了更为宽广的视角，这在其他诸如开关调节器和锁相环的领域上是有用的。新版本提供了双端口分析（two-port analysis）和反馈比分析（return-ratio analysis），在强调相似性的同时也强调区别，尝试消除这两者之间的混淆（为了保证区分，环路增益和反馈系数在双端口分析中使用L和b，而在反馈比分析中使用T和β）。
当然，新版本负反馈包含对运算放大器动态和频率补偿的扩展重写。在这里，第4版采用了由R.D.Middlebrook为环路测量提出的电压/电流注入技术。
考虑到当今模拟电子技术中便携设备电源管理的重要性，第4版扩展了对开关调节器的覆盖。对电流控制和斜坡补偿，以及诸如右半平面零点和误差放大器设计等稳定性问题也给予了更多的关注。
本书采用了大量的SPICE仿真（使用电路图代替了早先版本中的网表），以便验证对手工计算来说计算和研究太过复杂的高阶效应。SPICE当今有多种可用的版本，所以，相对于指定某一特定的版本，对于本版选定的示例，学生能够在选定的SPICE版本上快速重绘。
在之前的版本中，正文的内容通过仔细设置例题和章尾的习题得到强化，通过这些来强调工程师在日常工作中所需的直觉、物理洞察力和解决问题的方法学。
为了用一种超脱于最新工艺趋势的方式来写一般性和最基本的原理，第4版精选了已确立并广泛形成文件的元器件和工艺作为载体来阐明这样的原理。然而，只要有必要，还是要让读者了解一些更为现代的替代方案，鼓励读者自行上网查找这些方案。
本书内容�　〈舜�介绍的是英文版原书的内容安排，本中文精编版的内容安排与此有不同，具体编排见正文内容。——编辑注�【」苊挥忻魅分赋觯�本书实际上是由三个部分组成的。第一部分（第1~4章）基于将运算放大器作为一种理想器件来介绍其基本概念和应用。我们觉得在学生着手处理并评价实际器件限制以前，需要对理想（或接近理想）运算放大器的学习树立足够的自信。各种运算放大器的限制是第二部分（第5~8章）的主要内容，在这一版中，这方面的内容要比此前的版本更为系统和详细。最后，第三部分（第9~13章）基于前两部分介绍的基础，致力于讲解面向设计的各种应用。下面是各章内容的简要描述。
第1章复习基本放大器概念，包括负反馈概念。重点内容放在环路增益作为电路性能的一种度量标准上。环路增益的概念通过双端口分析和反馈比分析来进行阐述，本章还讲解了这两种方法之间的相似和不同，向学生介绍简化的PSpice模型，这一模型将随着本书的进程逐渐复杂和精确。如果教师发现本书对环路增益的介绍过早，可以跳过这一章，而在稍后某个更为合适的时机再重新回到这一论题上来。由于各节和各章都尽量独立编排，所以这类内容易于重新组织。另外，章末的习题也是按节组成的。
第2章介绍各种仪器仪表和传感放大器，以及I-V、V-I和I-I转换器。这一章将重点放在各种反馈拓扑结构和环路增益T的作用上。
第3章包含一阶滤波器、音频滤波器和常用的二阶滤波器，像KRC、多重反馈、状态变量和双二阶拓扑结构等二阶滤波器。本章重点是复平面系统的概念，并以滤波器灵敏度的讨论结束。（本中文版未收录）想深入了解滤波器的读者会发现第4章（本中文版未收录）是有用的。这一章包括用级联和直接的方法讨论高阶滤波器的综合。另外，这些方法既是针对有源RC滤波器，又是针对开关电容（SC）滤波器的情况提出的。
第5章聚焦于由输入端引起的运算放大器误差，诸如VOS、IB、IOS、CMRR、PSRR和漂移，并与它们的极限情况一起讨论。本章也向学生介绍技术指标和性能参数的说明、PSpice的宏模型，以及不同的工艺和拓扑。（本中文版第3章）第6章着重讨论频域和时域中的动态极限，并研究它们对电阻性电路和基于理想运算放大器模型的滤波器的影响。详细地对电压反馈和电流反馈进行比较，并广泛应用PSpice对有代表性的电路在频率响应和暂态响应上做可视化展示。在已经掌握了理想或接近理想运算放大器的前4章内容之后，学生就可更加好地理解和评价由实际器件的限制造成的结果。（本中文版第4章）将第5、6章介绍的原理结合起来，自然而然地就引入了第7章（本中文版第5章）有关交流噪声的内容。噪声计算和估计代表着另一个领域，其中PSpice是一种非常有用的工具。
第二部分以第8章（本中文版第6章）的稳定性专题结束。通过负反馈来增强收敛性需要考虑额外频率补偿，也包含对运算放大器内部和外部的考虑。第4版采用了由R.D.Middlebrook为测量环路而提出的电压/电流注入技术。同样，PSpice用来观察已给出的不同频率补偿技术的效果。
从第9章开始的第三部分涉及非线性应用。这里，非线性特性要么源自没有反馈（电压比较器），要么是存在反馈但属于正反馈类型（施密特触发器），或有负反馈但是应用了像二极管和开关（精密整流器、峰值检波器、跟踪保持放大器）这样一类非线性元件。（本中文版第7章）第10章包含各种信号发生器，其中有文氏桥和正交振荡器、多谐振荡器、定时器、函数发生器，以及V-F和F-V转换器。（本中文版第8章）第11章专注于调节器。由电压基准开始，从线性电压调节器介绍到开关调节器。本章重点关注的问题包括电流控制和斜坡补偿，以及误差放大器设计的稳定性问题和boost变换器中右半平面零点的影响问题。（本中文版第9章）第12章处理数据转换。用系统的方式处理数据转换器的技术要求，并给出多种DAC的应用。本章以过采样转换原理和转换器作为结束。关于这一专题也有大量相关专著，所以这一章仅是让学生了解最基本的知识。（本中文版未收录）第13章用各种非线性电路作为结束，其中有对数/反对数放大器、模拟乘法器，以及用一种简要接触gm-C滤波器的方式构成的运算跨导放大器。这一章最后介绍锁相环。另外，这一章还将前面各章所涉及的重要内容组合在一起介绍。（本中文版未收录）网站本书的配套网站是http://www.mhhe.com/franco，其上有各种供教师和学生使用的资源。教师资源包含习题解答、一组PowerPoint课件和指向勘误表的链接。
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