你好放大器

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【核心代码】

目录
前言 ........................................................................................................................................................................... 8
1. 放大器定义、分类和选择使用 ....................................................................................................................... 9
1.1. 放大器定义 ................................................................................................................................................................. 9
1.2. 放大器的全家谱.......................................................................................................................................................... 9
晶体管 ............................................................................................................................................................................................................... 9
运算放大器 ...................................................................................................................................................................................................... 10
运放的渊源，以及必要的数学分析 ...................................................................................................................................................................................... 10
全差分运放的诞生 ................................................................................................................................................................................................................. 13
功能放大器 ...................................................................................................................................................................................................... 14
仪表放大器 ............................................................................................................................................................................................................................ 15
差动放大器 ............................................................................................................................................................................................................................ 16
程控增益放大器 ..................................................................................................................................................................................................................... 17
压控增益放大器 ..................................................................................................................................................................................................................... 18
隔离放大器 ............................................................................................................................................................................................................................ 19
1.3. 选择放大器的原则 .................................................................................................................................................... 20
2. 运算放大器的关键指标详解......................................................................................................................... 21
2.1 输入失调电压（Offset Voltage,V OS ） ...................................................................................................................... 21
2.2 失调电压漂移（Offset Voltage Drift) ....................................................................................................................... 22
2.3 输入偏置电流（Input bias current，I B ） ................................................................................................................. 23
2.4 输入失调电流（Input offset current，I OS ） ............................................................................................................. 24
2.5 关于失调和偏置的总结 ............................................................................................................................................ 25
2.5.1 0 输入时怎么计算放大器的实际输出？ ............................................................................................................................... 25
2.5.2 易受影响的电路 ..................................................................................................................................................................... 27
2.5.3 如何克服它们的影响 ............................................................................................................................................................. 28
2.6 噪声指标（Noise） .................................................................................................................................................. 29
2.6.1 初识噪声................................................................................................................................................................................. 30
在时域构造一个看似混乱的波形 .......................................................................................................................................................................................... 30
构造一个真正的噪声 ............................................................................................................................................................................................................. 31
用傅里叶变换分析噪声 ......................................................................................................................................................................................................... 32
怎样衡量噪声的大小 ............................................................................................................................................................................................................. 33
噪声的电压密度曲线 ............................................................................................................................................................................................................. 36
2.6.2 最简单的运放的噪声模型 ..................................................................................................................................................... 37
2.6.3 U N_I 的噪声密度及噪声有效值计算 ....................................................................................................................................... 38
1/f 噪声密度及噪声有效值计算............................................................................................................................................................................................. 39
白噪声密度及噪声有效值计算 .............................................................................................................................................................................................. 39
总噪声密度和总有效值计算.................................................................................................................................................................................................. 39
2.6.4 从噪声电压密度曲线中获得 C 和 K ...................................................................................................................................... 40
K 的确定 ................................................................................................................................................................................................................................ 41
C 的确定 ................................................................................................................................................................................................................................ 42
2.6.5 噪声计算中频率的起点 f a 和终点 f b ....................................................................................................................................... 43
终点：等效带宽 f b ................................................................................................................................................................................................................. 43
起点频率 f a ............................................................................................................................................................................................................................. 46
2
2.6.6 噪声的有效值和峰峰值关系 .................................................................................................................................................. 47
2.6.7 OP27 噪声计算实例 ............................................................................................................................................................... 48
看 OP27 数据手册，得到关键参数 ....................................................................................................................................................................................... 48
在已有信息中，进行初步验证 .............................................................................................................................................................................................. 49
2.6.8 完整运放电路的噪声计算 ..................................................................................................................................................... 50
运放电路噪声全模型及其输出噪声计算方法 ....................................................................................................................................................................... 50
电阻的热噪声 ........................................................................................................................................................................................................................ 51
运放的等效输入电流噪声 ..................................................................................................................................................................................................... 52
独立噪声源的输出计算 ......................................................................................................................................................................................................... 54
2.6.9 多级放大电路的噪声计算 ..................................................................................................................................................... 55
2.6.10 噪声计算总结 ......................................................................................................................................................................... 56
2.6.11 噪声计算中的一些有趣问题 .................................................................................................................................................. 57
2 个 1kΩ 电阻串联，与 1 个 2kΩ 电阻噪声一致吗 .............................................................................................................................................................. 57
降低输出噪声的方法 ............................................................................................................................................................................................................. 58
先滤波还是先放大 ................................................................................................................................................................................................................. 59
低噪声设计中的技巧 ............................................................................................................................................................................................................. 60
2.7 输入电压范围（Input Voltage Range） .................................................................................................................... 61
2.8 输出电压范围（V OH /V OL 或者 Swing from rail）.................................................................................................... 62
2.9 共模抑制比（Common-mode rejection ratio，CMRR） ......................................................................................... 63
2.10 开环电压增益（Open-loop gain，A VO ） ................................................................................................................. 64
2.11 压摆率（Slew rate，SR） ........................................................................................................................................ 65
2.12 带宽指标 ................................................................................................................................................................... 66
单位增益带宽（Unity Gain-bandwidth，UGBW）—f 1 ......................................................................................................................................................... 66
增益带宽积（Gain Bandwidth Product，GBP 或者 GBW）—f 2 ........................................................................................................................................... 66
-3dB 带宽—f 3 ......................................................................................................................................................................................................................... 66
满功率带宽(Full Power Bandwidth) —f 0 ................................................................................................................................................................................ 66
大小关系 ................................................................................................................................................................................................................................ 66
2.13 建立时间（Settling Time） ...................................................................................................................................... 68
2.14 相位裕度（Phase margin，𝝋𝒎）和增益裕度 ........................................................................................................ 69
2.15 电源电压抑制比（PSRR-Power Supply Rejection Ratio） ..................................................................................... 70
2.16 全谐波失真加噪声 THD Noise ............................................................................................................................... 71
2.17 热阻（Thermal resistance，θ JA ）和温度范围 ......................................................................................................... 72
3. 多种多样的运算放大器 ................................................................................................................................ 73
3.1 精密运放和高速运放 ................................................................................................................................................ 73
3.1.1 精密运放概述 ......................................................................................................................................................................... 73
OP07 ....................................................................................................................................................................................................................................... 73
低失调电压运放 ..................................................................................................................................................................................................................... 74
低噪声运放 ............................................................................................................................................................................................................................ 75
低供电电压运放 ..................................................................................................................................................................................................................... 76
低偏置电流运放 ..................................................................................................................................................................................................................... 77
低功耗运放 ............................................................................................................................................................................................................................ 78
低价格运放 ............................................................................................................................................................................................................................ 79
3.1.2 高速运放................................................................................................................................................................................. 80
3.1.3 查找满足条件的放大器 ......................................................................................................................................................... 82
3
3.2 电流反馈型运算放大器(CFA) .................................................................................................................................. 83
3.2.1 电流反馈型放大器的内核 ..................................................................................................................................................... 83
3.2.2 基本分析方法 ......................................................................................................................................................................... 84
3.2.3 CFA 和 VFA 传函对比 ........................................................................................................................................................... 85
3.2.4 优缺点总结 ............................................................................................................................................................................. 88
3.2.5 ADI 的电流反馈型放大器 ..................................................................................................................................................... 89
3.3 全差分运算放大器 .................................................................................................................................................... 90
3.3.1 全差分运算放大器概述 ......................................................................................................................................................... 90
优点 ........................................................................................................................................................................................................................................ 90
3.3.2 常见电路分析方法 ................................................................................................................................................................. 91
单端输入转差分输出 ............................................................................................................................................................................................................. 91
含阻抗匹配的单端输入转差分输出 ...................................................................................................................................................................................... 93
全差分运放的其他电路形式.................................................................................................................................................................................................. 97
3.3.3 ADI 的全差分放大器 ........................................................................................................................................................... 100
4. 使用放大器的共性问题 .............................................................................................................................. 101
4.1 放大器的封装 ......................................................................................................................................................... 101
4.1.1 关于封装的一些基本概念 ................................................................................................................................................... 101
4.1.2 PDIP 封装 ............................................................................................................................................................................. 102
4.1.3 SOIC-N 封装 ........................................................................................................................................................................ 103
4.1.4 SOIC-W 封装 ........................................................................................................................................................................ 104
4.1.5 MSOP 封装 ........................................................................................................................................................................... 105
4.1.6 TSSOP 封装 .......................................................................................................................................................................... 106
4.1.7 SOT-23 封装 ......................................................................................................................................................................... 107
4.1.8 SC70 封装 ............................................................................................................................................................................. 108
4.1.9 LFCSP 封装 .......................................................................................................................................................................... 109
4.1.10 LCC 封装 .............................................................................................................................................................................. 110
4.1.11 WLCSP 封装 ......................................................................................................................................................................... 111
4.1.12 常用管脚分布和例外 ........................................................................................................................................................... 113
4.2 供电和电源去耦...................................................................................................................................................... 114
4.2.1 给放大器供电的几项注意 ................................................................................................................................................... 114
4.2.2 怎么给放大器电源配置电容？ ............................................................................................................................................ 114
库电容 ................................................................................................................................................................................................................................... 114
旁路电容 ............................................................................................................................................................................................................................... 114
4.2.3 配置旁路电容器的注意事项 ................................................................................................................................................ 116
4.3 不要忽视直流通路 .................................................................................................................................................. 117
4.3.1. 为什么要给放大器提供直流通路 ........................................................................................................................................ 117
几种常见的浮空源 ................................................................................................................................................................................................................ 117
4.3.1. 仪表放大器不接受浮空输入 ................................................................................................................................................ 118
4.3.2. 差动放大器可以接受浮空输入 ............................................................................................................................................ 119
4.3.3. 全差分放大器可以接受浮空输入 ........................................................................................................................................ 119
4.4 自激振荡 ................................................................................................................................................................. 120
4.4.1. 自激振荡现象 ....................................................................................................................................................................... 120
4.4.2. 根本原因............................................................................................................................................................................... 120
4.4.3. 避免和消除 ........................................................................................................................................................................... 120
4
4.5 驱动大电容负载...................................................................................................................................................... 121
4.5.1. 能驱动大电容的运放 ........................................................................................................................................................... 121
4.5.2. 驱动大电容的典型电路 ....................................................................................................................................................... 122
4.6 注意输入端保护...................................................................................................................................................... 123
4.6.1. 一个小故事 ........................................................................................................................................................................... 123
4.6.2. 原因 ...................................................................................................................................................................................... 124
4.6.3. 得出的结论 ........................................................................................................................................................................... 124
4.7 带宽计算——最基本的计算 .................................................................................................................................. 126
4.7.1. 传统估算公式 ....................................................................................................................................................................... 126
4.7.2. 关于增益带宽积完整的要求 ................................................................................................................................................ 127
k 问题 ................................................................................................................................................................................................................................... 127
k 问题变形 1......................................................................................................................................................................................................................... 127
4.7.3. 闭环增益表达式 ................................................................................................................................................................... 128
4.7.4. k 问题的进一步变形和求解 ................................................................................................................................................. 129
可利用的规律 ...................................................................................................................................................................................................................... 129
基于上述规律的 k 问题求解 ................................................................................................................................................................................................ 130
4.7.5. 带宽计算实例 ....................................................................................................................................................................... 131
4.7.6. 奇怪的增益隆起 ................................................................................................................................................................... 132
4.8 漂亮的布线是成败的关键 ...................................................................................................................................... 134
4.8.1. 基础知识............................................................................................................................................................................... 134
英制单位 .............................................................................................................................................................................................................................. 134
PCB 走线和铜导线的电阻 ................................................................................................................................................................................................... 134
PCB 走线的电感量 .............................................................................................................................................................................................................. 135
PCB 走线与地层的电容量 ................................................................................................................................................................................................... 135
4.8.2. 布局原则——近、顺 ........................................................................................................................................................... 136
4.8.3. 走线原则——短、粗、远、滑 ............................................................................................................................................ 136
4.8.4. 反馈支路——背面挖空 ....................................................................................................................................................... 137
4.8.5. 尽量不要自动覆铜 ............................................................................................................................................................... 137
4.8.6. 多看，多悟，少记 ............................................................................................................................................................... 137
5. 典型放大电路分析 ...................................................................................................................................... 138
5.1 单电源线性变换电路 .............................................................................................................................................. 138
5.1.1. 交流耦合............................................................................................................................................................................... 138
同相电路一 .......................................................................................................................................................................................................................... 139
同相电路二 .......................................................................................................................................................................................................................... 140
同相电路三 .......................................................................................................................................................................................................................... 141
反相电路 .............................................................................................................................................................................................................................. 142
5.1.2. 直接耦合............................................................................................................................................................................... 143
同相增益大于 0.5 ................................................................................................................................................................................................................. 143
同相增益小于 0.5 ................................................................................................................................................................................................................. 145
反相 ...................................................................................................................................................................................................................................... 146
5.2 电流源电路 ............................................................................................................................................................. 147
5.2.1. Howland 电流源 ................................................................................................................................................................... 147
5.2.2. 利用差动放大器实现的电流源 ............................................................................................................................................ 149
图 5-7 电路分析 ................................................................................................................................................................................................................... 149
5
图 5-7 优缺点分析 ............................................................................................................................................................................................................... 149
5.2.3. 改进电路............................................................................................................................................................................... 150
5.2.4. 用晶体管增加输出电流 ....................................................................................................................................................... 150
5.2.5. 以 R SENSE 为核心的电流源一 ................................................................................................................................................ 151
5.2.6. 以 R SENSE 为核心的电流源二 ................................................................................................................................................ 152
5.2.7. 用仪表放大器实现的电流源 ................................................................................................................................................ 153
5.2.8. 低压高效电流源 ................................................................................................................................................................... 154
设计要求 .............................................................................................................................................................................................................................. 154
方案一 .................................................................................................................................................................................................................................. 154
方案二 .................................................................................................................................................................................................................................. 156
5.3 电流检测 ................................................................................................................................................................. 159
5.3.1. 检测电流的基本方法 ........................................................................................................................................................... 159
5.3.2. 低侧还是高侧？ ................................................................................................................................................................... 159
5.3.3. 分流电阻............................................................................................................................................................................... 160
5.3.4. 运放检测电流 ....................................................................................................................................................................... 161
5.3.5. 差动放大器检测电流 ........................................................................................................................................................... 163
差动放大器高侧电流检测电路一 ........................................................................................................................................................................................ 163
AD628 可承载 110V ............................................................................................................................................................................................................ 164
AD629 可承载 280V，AD8479 可承载 600V ..................................................................................................................................................................... 165
5.3.6. 电流检测放大器 ................................................................................................................................................................... 166
AD8208 之架构猜想 ............................................................................................................................................................................................................ 166
AD8211 之架构猜想 ............................................................................................................................................................................................................ 168
ADI 的电流检测放大器 ....................................................................................................................................................................................................... 170
ADI 电流检测放大器的应用电路 ........................................................................................................................................................................................ 171
5.4 单端转差分电路...................................................................................................................................................... 172
5.4.1. 基本电路............................................................................................................................................................................... 173
5.4.2. 交叉反馈电路 ....................................................................................................................................................................... 174
5.4.3. 全差分运放和变压器驱动 ................................................................................................................................................... 175
5.5 复合放大电路 ......................................................................................................................................................... 176
5.5.1. 串联型复合放大电路 ........................................................................................................................................................... 176
题目要求 .............................................................................................................................................................................................................................. 176
常规电路遇到的问题 ........................................................................................................................................................................................................... 176
串联型复合放大电路 ........................................................................................................................................................................................................... 178
5.5.2. 并型复合放大电路 ............................................................................................................................................................... 180
题目要求 .............................................................................................................................................................................................................................. 180
并联型复合放大电路 ........................................................................................................................................................................................................... 180
并联型复合放大电路工作原理 ............................................................................................................................................................................................ 181
6. 仪器使用、焊接、调试和撰写报告 ........................................................................................................... 183
6.1 仪器使用基础 ......................................................................................................................................................... 183
6.1.1. 正确连接仪器和电路板 ....................................................................................................................................................... 183
构建正负电源输出 ............................................................................................................................................................................................................... 183
给电路板供电 ...................................................................................................................................................................................................................... 184
连接信号源和示波器 ........................................................................................................................................................................................................... 184
6.1.2. 电源基础............................................................................................................................................................................... 185
6
直流稳压电源，是理想电压源吗？ .................................................................................................................................................................................... 185
基准电压源 .......................................................................................................................................................................................................................... 186
谨慎使用基于电源的输入端保护电路 ................................................................................................................................................................................ 187
6.1.3. 信号源设置与示波器观察为什么不一致？ ........................................................................................................................ 188
6.2 学会使用示波器...................................................................................................................................................... 189
6.2.1. 示波器的重要性 ................................................................................................................................................................... 189
6.2.2. 示波器能干的，以及不能干的 ............................................................................................................................................ 189
6.2.3. 注意数字示波器的混叠现象 ................................................................................................................................................ 190
6.2.4. 利用示波器观察地线 ........................................................................................................................................................... 191
6.2.5. 关于探头............................................................................................................................................................................... 191
多种探头的选择使用 ........................................................................................................................................................................................................... 191
注意探头的频率特性 ........................................................................................................................................................................................................... 192
保护探头 .............................................................................................................................................................................................................................. 192
调节探头 .............................................................................................................................................................................................................................. 192
6.2.6. 灵活使用示波器的触发 ....................................................................................................................................................... 193
数字示波器的触发显示原理................................................................................................................................................................................................ 193
释抑 ...................................................................................................................................................................................................................................... 194
功能强大的数字触发 ........................................................................................................................................................................................................... 195
6.2.7. 数字示波器的其它有用功能 ................................................................................................................................................ 198
中央扩展和底部扩展 ........................................................................................................................................................................................................... 198
6.2.8. 使用双通道同时测量 ........................................................................................................................................................... 199
6.2.9. 数字示波器的自动功能 ....................................................................................................................................................... 199
6.3 焊接基础 ................................................................................................................................................................. 200
6.4 故障排查的基本技巧 .............................................................................................................................................. 201
6.4.1. 故障排查的基础 ................................................................................................................................................................... 201
熟练使用常用仪器 ............................................................................................................................................................................................................... 201
熟悉目标电路 ...................................................................................................................................................................................................................... 201
良好的故障排查心态 ........................................................................................................................................................................................................... 201
正确的故障排查策略 ........................................................................................................................................................................................................... 201
6.4.2. 排查故障中合理使用仪器 ................................................................................................................................................... 202
6.4.3. 故障出现后的关键几分钟 ................................................................................................................................................... 202
6.4.4. 保护故障现场 ....................................................................................................................................................................... 203
6.4.5. 故障定位——故障排查的核心 ............................................................................................................................................ 203
6.4.6. 故障定位的常见方法 ........................................................................................................................................................... 204
顺序探测法 .......................................................................................................................................................................................................................... 204
关键点探测法 ...................................................................................................................................................................................................................... 204
分块定位法 .......................................................................................................................................................................................................................... 205
替换法 .................................................................................................................................................................................................................................. 206
故障注入法 .......................................................................................................................................................................................................................... 207
6.4.7. 故障排查次序 ....................................................................................................................................................................... 208
6.4.8. 故障排查实例一：两片 ARM 烧毁的教训 ......................................................................................................................... 208
6.4.9. 故障排查实例二：诡异的短路故障 .................................................................................................................................... 210
6.5 撰写漂亮的报告...................................................................................................................................................... 212
6.5.1. 态度端正............................................................................................................................................................................... 212
7
第一，写出来的都是真的 ................................................................................................................................................................................................... 212
第二，存在的实验都是可重复的 ........................................................................................................................................................................................ 212
第三，完整表达了意思。每次、不同人读完，得到的信息是相同的。 ........................................................................................................................... 213
6.5.2. 报告组成............................................................................................................................................................................... 214
题目和摘要 .......................................................................................................................................................................................................................... 214
正文 ...................................................................................................................................................................................................................................... 214
参考文献 .............................................................................................................................................................................................................................. 215
6.5.3. 构建标题框架 ....................................................................................................................................................................... 216
6.5.4. 图题、表题 ........................................................................................................................................................................... 216
6.5.5. 公式 ...................................................................................................................................................................................... 216
6.5.6. 制表技巧............................................................................................................................................................................... 217
6.5.7. 绘图技巧............................................................................................................................................................................... 218
6.5.8. 常见错误............................................................................................................................................................................... 219
常见的语法和文字错误 ....................................................................................................................................................................................................... 219
撰写禁忌 .............................................................................................................................................................................................................................. 219
语气禁忌 .............................................................................................................................................................................................................................. 219
后记 ....................................................................................................................................................................... 221