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143.4
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| 編輯推薦： |
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电子电气类大学生、研究生，电子工程师，等等。
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| 內容簡介： |
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针对"如何让更多用户简单使用放大器"这一问题，《你好，放大器（初识篇）》从学习、应用、设计等多角度，讲解放大器定义、分类和选用，运算放大器的关键指标，多种多样的运算放大器，使用放大器的共性问题，典型放大电路分析，仪器使用、焊接、调试和撰写报告等内容。《你好，放大器（初识篇）》适合电子电气类大学生、研究生，电子工程师阅读。
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| 目錄：
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目录
第1章放大器定义、分类和选择使用
1.1放大器定义1
1.2放大器的全家谱1
1.2.1晶体管 1
1.2.2运算放大器3
1.2.3功能放大器6
1.3选择放大器的原则12
第2章运算放大器的关键性能指标详解
2.1输入失调电压（Offset Voltage，VOS） 13
2.2失调电压漂移（Offset Voltage Drift）14
2.3输入偏置电流（Input Bias Current，IB） 15
2.4输入失调电流（Input Offset Current，IOS） 16
2.5关于失调和偏置的总结 17
2.5.1零输入时怎么计算放大器的实际输出？17
2.5.2易受影响的电路 20
2.5.3如何克服直流意外的影响 21
2.6噪声指标（Noise） 23
2.6.1初识噪声 24
2.6.2*简单的运放的噪声模型 28
2.6.3UN_I的噪声密度及噪声有效值计算29
2.6.4从噪声电压密度曲线中获得C和K 31
2.6.5噪声计算中频率的起点fa和终点fb 34
2.6.6噪声的有效值和峰峰值的关系38
2.6.7OP27噪声计算实例 39
2.6.8完整运放电路的噪声计算 41
2.6.9多级放大电路的噪声计算 46
2.6.10噪声计算总结47
2.6.11噪声计算中的一些有趣问题 50
2.7输入电压范围（Input Voltage Range） 53
2.8输出电压范围（VOHVOL或者Swing from Rail） 55
2.9共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio，CMRR）56
2.10开环电压增益（Open-Loop Gain，AVO） 59
2.11压摆率（Slew Rate，SR）60
2.12带宽指标61
2.13建立时间（Settling Time） 63
2.14相位裕度（Phase Margin，jm）和增益裕度 64
2.15电源电压抑制比（PSRR， Power Supply Rejection Ratio） 65
2.16全谐波失真加噪声（THD+Noise）66
2.17热阻（Thermal Resistance，θJA）和温度范围67
2.18读懂运放数据手册68
2.18.1数据手册之重要性 68
2.18.2快速检阅的技巧 69
2.18.3与dB相关的参数 69
2.18.4读懂首页 73
2.18.5性能规格（Specifications）77
2.18.6****额定值（Absolute Maximum Ratings） 80
2.18.7热阻（Thermal Resistance） 81
2.18.8供电次序（Power Sequencing）81
2.18.9运行特性（Typical Performance Characteristics） 81
2.18.10应用（Applications） 89
2.18.11外形尺寸（Outline Demensions） 90
2.18.12订购指导（Ordering Guide） 90
第3章多种多样的运算放大器
3.1精密运放和高速运放 92
3.1.1精密运放概述92
3.1.2高速运放 98
3.1.3查找满足条件的放大器98
3.2电流反馈型运算放大器（CFA）99
3.2.1电流反馈型放大器的内核 99
3.2.2基本分析方法 100
3.2.3CFA和VFA传函对比 100
3.2.4优缺点总结 104
3.2.5ADI的电流反馈型放大器 105
3.3全差分运算放大器 106
3.3.1概述106
3.3.2常见电路分析方法107
3.3.3ADI的全差分放大器117
第4章使用放大器的共性问题
4.1放大器的封装 119
4.1.1关于封装的一些基本概念119
4.1.2封装信息表 120
4.1.3常用管脚分布和例外 121
4.2供电和电源去耦 122
4.2.1给放大器供电的几项注意122
4.2.2怎么给放大器电源配置电容？ 122
4.2.3配置旁路电容的注意事项124
4.3不要忽视直流通路 125
4.3.1为什么要给放大器提供直流通路？125
4.3.2仪表放大器不接受浮空输入126
4.3.3差动放大器可以接受浮空输入 127
4.3.4全差分放大器可以接受浮空输入127
4.4自激振荡 128
4.4.1自激振荡现象 128
4.4.2根本原因128
4.4.3避免和消除 129
4.5驱动大电容负载 129
4.5.1能驱动大电容的运放 130
4.5.2驱动大电容的典型电路 131
4.6注意输入端保护 132
4.6.1一个小故事 132
4.6.2原因132
4.6.3得出的结论 134
4.7带宽计算——*基本的计算135
4.7.1传统估算公式——浪费资源136
4.7.2关于增益带宽积完整的要求137
4.7.3闭环增益表达式138
4.7.4k问题的进一步变形和求解.139
4.7.5带宽计算实例 141
4.7.6奇怪的增益隆起142
4.8漂亮的布线是成败的关键145
4.8.1基础知识145
4.8.2布局原则——近、顺 147
4.8.3走线原则——短、粗、远、滑 147
4.8.4反馈支路——背面挖空 149
4.8.5尽量不要自动覆铜149
4.8.6多看，多悟，少记149
第5章典型放大电路分析
5.1单电源线性变换电路150
5.1.1交流耦合150
5.1.2直接耦合155
5.2电流源电路 162
5.2.1Howland电流源162
5.2.2利用差动放大器实现的电流源 164
5.2.3改进电路165
5.2.4用晶体管增加输出电流 166
5.2.5以RSENSE为核心的电流源一167
5.2.6以RSENSE为核心的电流源二168
5.2.7用仪表放大器实现的电流源170
5.2.8低压高效电流源171
5.3电流检测 176
5.3.1检测电流的基本方法 176
5.3.2低侧还是高侧？176
5.3.3分流电阻177
5.3.4运放检测电流 178
5.3.5差动放大器检测电流 181
5.3.6电流检测放大器189
5.4单端转差分电路 195
5.4.1基本电路196
5.4.2交叉反馈电路 197
5.4.3全差分运放和变压器驱动198
5.5复合放大电路 199
5.5.1串联型复合放大电路 199
5.5.2并型复合放大电路203
第6章仪器使用、焊接、调试和撰写报告
6.1仪器使用基础 206
6.1.1正确连接仪器和电路板 206
6.1.2电源基础208
6.1.3信号源设置与示波器观察为什么不一致？212
6.2学会使用示波器 213
6.2.1示波器的重要性213
6.2.2示波器能干的，以及不能干的 213
6.2.3注意数字示波器的混叠现象214
6.2.4利用示波器观察地线 215
6.2.5关于探头216
6.2.6灵活使用示波器的触发 218
6.2.7数字示波器的其他有用功能224
6.2.8使用双通道同时测量 225
6.2.9数字示波器的自动功能 225
6.3焊接基础 226
6.4故障排查的基本技巧227
6.4.1故障排查的基础227
6.4.2排查故障中合理使用仪器228
6.4.3故障出现后的关键几分钟228
6.4.4保护故障现场 229
6.4.5故障定位——故障排查的核心 230
6.4.6故障定位的常见方法 230
6.4.7故障排查次序 234
6.4.8故障排查实例一：两片ARM烧毁的教训.235
6.4.9故障排查实例二：诡异的短路故障238
6.5撰写漂亮的报告 239
6.5.1态度端正239
6.5.2报告组成241
6.5.3构建标题框架 244
6.5.4图题、表题 244
6.5.5公式245
6.5.6制表技巧245
6.5.7绘图技巧246
6.5.8常见错误246
后记 249
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第1章放大器定义、分类和选择使用
1.1放大器定义
电学中能够实现信号、功率放大的器件，称为放大器，英文为Amplifier。
以放大器为核心，能够实现放大功能的电路组合，称为放大电路。
在很多情况下，放大器和放大电路被混淆。严格来说，放大器是一个器件，Device，比如一个3管脚的晶体管或者一个8管脚的运算放大器，都是放大器。而放大电路是这些器件加上电阻电容、线路板或者导线焊接到一块儿的，是一个组合。
虽然我能够分清这些，但有时我也乱用。其实，大可不必为此纠结，你愿意怎么叫就怎么叫吧。多数人分不清楚的东西，你分那么清楚干什么啊？
1.2放大器的全家谱
全部放大器被分为3种：晶体管放大器、运算放大器和功能放大器。
除此之外，世上还存在电子管放大器，只在特殊领域，比如高级音响中使用。这个我不懂，从我读书时，就没有见过这古老的家伙了。但我知道，有人懂，还在用。
1.2.1晶体管
晶体管分为两类：双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor， BJT，分为NPN型、PNP型）、单极型晶体管（也称场效应管，Field Effect Transistor，FET）。其中场效应管还分为JFET和MOSFET，就是结型管和金属氧化物管，它们都有N沟道和P沟道之分。从符号看，晶体管可以画成8种：双极型2种，单极型6种，如图1.1所示。
所谓双极型晶体管，是指这种晶体管内部，既有电子运动形成电流，也有空穴运动形成电流。一个多，称为多子；一个少，称为少子。两者的运动方向相反，飞向两个不同的“极”。而所谓的单极型晶体管中，只有空穴或者只有电子运动形成电流，只有多子存在，飞向单一的“极”。
晶体管可以组成常见的共射（源）极、共基（栅）极、共集电（漏）极放大电路，以及类型多变的多级放大电路。
学过晶体管放大电路的同学们，或多或少都会感到晶体管及其放大电路的复杂。从静态工作点开始，到微变等效电路，再到增益计算、输入电阻、输出电阻计算，还有频率特性，要想完成一个各项指标满足要求的放大电路，可不是一件容易的事情。虽然这个放大电路使用的器件很便宜，电阻电容数量也不是很多，但是复杂的计算限制了这种放大电路的推广。
20世纪60年代是一个电子技术爆发的年代，集成电路的问世引发了一系列雪崩式的发展。科学家们在“如何让更多用户简单使用放大器”这个问题上，给出的答案是：设计一种傻瓜型放大器，结合负反馈理论，很简单就可以组成一个放大电路，其增益设计也极为简单。这就是运算放大器——Operational Amplifier。
1.2.2运算放大器
运算放大器又称运放，其实就是一个差分输入、多级、直接耦合、高增益放大电路（通常放大倍数大于10000），用集成电路工艺生产在一个单芯片集成电路中。它有两个差分输入端，一个或者两个输出端，两个供电电源端。
运放的渊源，以及必要的数学分析
设计并生产一种指定增益的放大器，并把它封装在一个集成电路中，形成傻瓜型应用，对集成电路生产商来说，是极为简单的。但是，困难的是，厂商得准备多少种增益选择呢？从1倍开始，1.1，1.2 要不要准备1.05倍呢？
数学家早已解决了这个问题。按照负反馈理论，集成电路生产商只需要生产满足如下要求的集成放大器（称之为运算放大器），即可实现用户的一切要求：
（1）运放的开环增益非常大，即图1.2中Auo很大。
（2）运放的输入端没有电流，即运放具有极高的输入阻抗。
图1.2（a）是一个满足要求的运放，但这个电路几乎不能正常使用。因为开环增益实在太大了，输入信号得多么小，才能让输出稳定呢？图1.2（b）把输出端通过两个电阻分压，引回到负输入端，形成负反馈，这个电路就能够正常工作了。根据数学家要求的条件，有下式成立：
两个独立的方程，3个未知量，可以解得任意两个未知量之间的关系，得到：
其中，Auf称为闭环增益，就是运放组成负反馈电路后的电压增益。当Auo很大时，得到：
式［1.3（a）］说明，当满足数学家提出的条件后，该负反馈电路的增益仅与外部电阻R2、RF有关，而与实际运放的开环增益Auo没有什么关系。这太好了，运放生产商可以甩开膀子大干了，管它Auo具体多大呢，只要足够大就可以了。用户想要多大的增益，自己选择合适的电阻就可以了。
式［1.3（b）］说明，运放在这种情况下，同相输入端加载的是信号Us，那么反相输入端呈现出的电位就一定非常接近Us，即UIN- ≈ UIN+，这就是我们常说的“虚短”：从电位上看，运放的两个输入端等电位，似乎短接一般。请千万注意，“虚短”不是运放本身的特性，而是深度负反馈导致的必然结果。
为了更直观，我们假设R2=1kΩ，RF=3kΩ，然后看看Auo从10变到1000000，闭环增益和虚短情况。
表1.1开环增益对负反馈放大电路的影响
可以清晰看出，随着Auo越来越大，使用式（1.3）得到的估算结果，与使用式（1.2）得到的精算结果，越来越接近。图1.2（b）所示电路中，用户需要的指标都可以简单实现。
（1）闭环电压增益约为1+RFR2，用户自己选择电阻实现。
（2）输入阻抗等于R1，用户自己选择。
（3）输出阻抗等于Ro，用户自己选择。
图1.2（b）所示电路，只是一个非常简单的含运放负反馈电路，它实现了简单的比例运算。20世纪60年代中期**颗运放μA709诞生后，科学家和工程师们围绕着这种神奇的2入1出器件，设计出了很多负反馈拓扑以及运算电路——一颗种子，种出了太多的花：常见的运算电路包括比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等，以及基于频率分析的各种各样的滤波器。如果配合使用模拟乘法器，还可以实现乘法、n次方、开方等运算。甚至，用这些电路还可以解方程。这其实已经初步具备了模拟计算机诞生的条件，但是历史的走向，却让数字处理器占了上风，这是后话。
在那个辉煌的年代，诞生了很多关于运算放大器的故事。让我们记住几个名字，**家推出运放的公司：Fairchild——美国仙童公司，设计**款运放μA709的，桀骜不驯的Robert J. （Bob） Widlar。此后几十年至今，各个公司兴衰轮回，设计者各领风骚，营造了一个庞大的半导体模拟世界。
向他们致敬。
关于**款运放到底是不是μA709，其实有各种说法。我又查了维基百科。资料显示，1963年，Widlar设计了μA702，但不算成功。直到1965年，他为仙童公司设计的μA709才被较为广泛地使用。而真正产生巨大影响的，至今还在生产的长寿运放，当属1968年诞生的μA741。
全差分运放的诞生
后来，在这种标准运放的基础上，科学家又研制了另一种运放，称为全差分运放，它有差分输入脚IN+和IN-，差分输出脚OUT+和OUT-。除此之外，还有一个输入脚，称之为VOCM。如图1.3所示，它们之间的关系如下。
式（1.4）很容易理解，与标准运放的差别仅在于全差分运放的输出也是差分的。即，差分输出值等于差分输入值乘以一个很大的开环增益Auo。
式（1.5）是一个新概念，当你在VOCM端接入一个电压，那么差分输出的两个端子的共模电压（即两个差分输出信号的平均值）将等于你输入的VOCM。这可以理解为，两个差分输出端子，将围绕着输入的VOCM电位，产生方向相反的波动。这个功能常用于输出电平的移位。
利用与标准放大器式（1.1）~式（1.3）完全相同的分析方法，可以准确求解出输出。但为了避免大家早早地厌烦，我们先休息一下，第3章会帮大家分析。
为了区别这两种运放，2入1出的可以称为标准运放，2入2出的可以称为全差分运放。当然，大多数人还是把标准运放直接称为运放。
至此，有了标准运放和全差分运放，结合负反馈理论，已经完全可以应对几乎所有的放大问题。几十年来，科学家和工程师们以标准运放和全差分运放为核心，设计并实践了成千上万种电路，任何一本书都难以把它们囊括在内。
尽管如此，生产商还是不会停止他们研究的步伐：为了他们的利益，当然也是为了用户的方便，又开发出了很多种功能放大器。
1.2.3功能放大器
如果某个以运放为核心的放大电路，非常常用，生产厂家就会考虑把这个放大电路（包括运放和外围电阻）进一步集成，提供给用户。这就是功能放大器。
比如我们要设计一个放大电路，实现Uo=Ui1－Ui2。使用运放可以给出图1.4（a）所示的电路。但是，在实现过程中，用户可能遇到4个电阻不好匹配的问题，而这个电路又是很常见的，于是集成电路生产商（比如ADI公司）就把这个电路集成在一个叫做AD8276的集成电路中，这就是一种功能放大器，被称为差动放大器——Difference Amplifier。
当然，这种放大器内部的电阻有像AD8276一样的，是1∶1的，也有1∶10、1∶5、1∶2的，型号也就不同。这取决于哪种电阻匹配是较为常见的。
这就是所有功能放大器诞生的基础：功能很常见，用户自己做没有厂家做得好。
功能放大器种类很多，常见的有以下几种。
仪表放大器
具有差分输入、极高输入电阻，2输入对称的集成放大电路，称为仪表放大器。常用于仪器仪表的*前端，和传感器直接接触。
仪表放大器具有极高的共模抑制比——对信号的差值极敏感，而对共模量不敏感。但是，它的输入管脚有工作限制：**，不得悬空；第二，不能承载太高的电压。
仪表放大器的输出有单端的，也有差分的，增益一般可以用一个外部电阻（由用户选择）设定。
仪表放大器内部通常具有2个或者更多个运放，*典型的是3运放结构。其他的还有2运放结构、电流镜结构、飞电容结构等。
关于仪表放大器更多的细节，我会在后续内容中细说。
图1.5左边是ADI公司生产的AD8221的管脚图，可以看出它有两个输入端-IN和+IN，一个输出端VOUT，2脚和3脚之间需要用户连接一个电阻，以决定仪表放大器的电压增益。图1.5右边电路中给出了AD627的电压增益公式，电阻RG越小，增益越大。
图1.5右边电路中，电阻桥组成的传感器感知被测信息，产生VDIFF，以电压差的形式反映被测信息。AD627的两个输入端有极高的输入阻抗，几乎不会从传感器侧取用电流，因此传感器输出阻抗的变化不会带来额外的影响，保证VOUT=VREF+GVDIFF。
差动放大器
由一个运放和若干个激光校准电阻对集成在一起的放大电路，其中的电阻值选择均以容易形成差动放大器为目的。
多数差动放大器如AD8276一般，包含4个激光校准的电阻，也有5个电阻、6个电阻甚至更多电阻的，主要用于信号减法（比如电流检出）、精确增益、信号的差分转单端、电平移位等。
生产厂家提供各式各样的差动放大器，主要目的是为用户提供高质量运放和激光校准电阻对的组合。用户更看重的是那几个精密匹配的电阻。
以图1.6所示的AD8270为例，可以看出它内部由2个独立的差动放大器组成，每个差动放大器都有7个电阻，用户可以在芯片外部对它们进行合适的连接，以实现不同的功能。图1.6仅是一种连接方式，作为AD转换器AD7688的前级驱动电路。
除此之外，如果你想实现一个单纯的减法电路U15=U+IN-U-IN，可以把1脚、5脚、6脚悬空。要实现U15=0.5（U+IN-U-IN），可以把4脚、5脚、6脚都接地，1脚和15脚接到一起。要实现U15=2（U+IN-U-IN），可以把1脚和2脚接在一起，3脚、4脚接在一起，5脚、6脚接地。
此时，你应该明白AD8270外围的7个电阻为什么选择这样的阻值了吧？众多的排列组合，可以实现多种功能。
关于差动放大器更多的细节，我会在后续内容中细说。
程控增益放大器
一种集成放大器，其增益可以由用户通过数字信号设定，或者说可以用处理器程序实施设定，因此叫P
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