基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計（第3版）

　　在近10多年內(nèi)，由于數(shù)字電子學的盛行，有很多關于幾乎不再需要模擬電路的預言。在遠沒有證實這種預言是否正確之前，這一論點已經(jīng)挑起了相反的辯駁；這可以概括為這樣一句話：“倘若你無法用數(shù)字的方法來實現(xiàn)的話，它就可以用模擬的方式來完成?！备鼮樯跽?，一般都有這樣一種誤解，比起數(shù)字設計來說，相對于一種有規(guī)則的科學，似乎模擬設計是一種更為玄乎和捉摸不定的藝術。對于受困惑的學生來說如何來理解這一爭論？繼續(xù)選修某些模擬電子學方面的課程值得嗎？抑或最好還是就集中在數(shù)字電路方面？毋庸置疑，傳統(tǒng)上隸屬于模擬電子學領域的很多功能，今天都用數(shù)字形式給予實現(xiàn)了。其中最為常見的例子就是數(shù)字音響，這里由拾音器和其他的聲音傳感器產(chǎn)生的模擬信號利用一些放大器和濾波器經(jīng)適當?shù)靥幚?，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式以作進一步處理，譬如混合、編輯和產(chǎn)生某些特殊效果，以及更多為了傳輸、存儲和提取而同樣重要的瑣碎工作。最后，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回到模擬信號經(jīng)由揚聲器播放出來。之所以想用數(shù)字方法實現(xiàn)盡可能多的功能的主要理由之一就是緣于數(shù)字電路的高可靠性和高靈活性。然而，物理世界本來就是模擬的；這表明，總是需要模擬電路去適應這些物理信號，像與傳感器相連的電路，以及把模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息供進一步處理，和從數(shù)字轉(zhuǎn)換回模擬供物理世界再利用等這樣一些電路都還需要用到模擬電路。再者，考慮到速度和功率的因素采用模擬前端電路更具優(yōu)勢，新的應用領域不斷出現(xiàn)；無線通信就是一個很好的例子。的確如此，當今的許多應用最好是由混合模式的集成電路（混合模式IC）和系統(tǒng)來提出，它依賴模擬電路與物理世界接口，而數(shù)字電路則用作處理和控制。即便這個模擬電路或許僅占這塊整個芯片面積的一小部分，但它往往卻是設計中極具挑戰(zhàn)性的部分，并且在整個系統(tǒng)的性能上起著關鍵作用。在這一方面，通常所謂的模擬設計師就要用明確的數(shù)字工藝為實現(xiàn)模擬功能的任務構(gòu)思出獨創(chuàng)性的解決方案；在濾波中的開關電容技術和在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的2—厶技術就是為大家所熟知的例子。由于以上原因，對于有能力的模擬設計師們還是繼續(xù)具有很強的需求。即使是純數(shù)字電路，當將它們推向運算極限時，還是要呈現(xiàn)模擬的特性行為的。因此，對于模擬設計原理和技術的牢固掌握在任何IC（無論是純數(shù)字或純模擬的IC）設計中都是一筆寶貴的財富。關于這本教科書這本書的目的是利用實際的器件和應用說明一般的模擬原理和設計方法學。本書旨在用作本科生和研究生在用模擬集成電路（模擬IC）設計和應用方面課程的一本教科書，以及為實際工程師們用作一本參考書。讀者在電子學方面應有初步基礎，熟悉頻域分析方法，并在PSpice應用方面具有基本訓練。盡管本書包括的內(nèi)容足夠用作兩個學期的課程，但是經(jīng)適當挑選之后也能用作一個學期課程的基礎。由于本書及其每一章一般都是按從簡到繁，先易后難的次序?qū)懢偷?，所以挑選過程是極易完成的。在舊金山州立大學（SanFranciscoStateUniversity），我們使用這本書作為兩個一學期課程的系列課對待；一個是在本科高年級，另一個是在研究生層次上。在高年級的課程中，包括了第1～3章，第5～6章，以及第9～10章的大部分；在研究生的課程中則包括全部余下的部分。在高年級的課程中是與模擬IC制造和設計課程并行的。為了更為有效地使用模擬IC，用戶略知一點它們內(nèi)部的工作原理（即便至少是定性的）是很重要的。為了滿足這種需要，本書在一種設計判斷上給出了工藝和電路因素方面的直觀說明。第3版保留了第2版不同于第1版的那些特點，即在教學法方面大的加強，包含了PSpice仿真，并擴充了主要內(nèi)容，其中有電流反饋放大器、開關調(diào)節(jié)器、∑—厶轉(zhuǎn)換器以及鎖相環(huán)。另外，負反饋概念得到進一步的清晰和加強，各章末的習題數(shù)量增加了10％，使總數(shù)達到579道題。雖然很多讀者都毫無疑問地愿意使用PSpice的Windows版本，在經(jīng)仔細斟酌之后，考慮到教學法方面的優(yōu)點，決定還是保留了第2版中的netlist（網(wǎng)表）版本。然而，有興趣的讀者還是可以在附設的網(wǎng)站http：//WWW．mhhe．com/franco上找到本書netlist例子的Windows版本。為了將一般性和最基本的原理用一種超脫于最新的工藝趨勢來寫就的目的，精選了業(yè)已確立并廣泛形成文件的器件和工藝作為載體來闡明這樣一些原理。然而，只要有必要，還是要讓讀者了解一些更為現(xiàn)代的器件，以及參考的資源并在何處找到它們。本書內(nèi)容梗概盡管沒有明確指出，本書實際上是由三個部分組成的。第一部分（第1—4章）基于將運算放大器作為一種理想器件介紹基本概念和應用。我們覺得在學生著手處理并評價實際器件限制的后果以前需要對理想（或接近理想）運算放大器的情況樹立足夠的自信。各種運算放大器的限制是第二部分（第5—8章）的主要內(nèi)容，在這一版中有關這方面的內(nèi)容要比前兩版更為系統(tǒng)和詳細。最后，第三部分（第9～13章）利用讀者在前兩部分所獲得的成熟和判斷力致力于面向設計的各種應用。下面是各章內(nèi)容的簡要描述。第1章復習基本放大器概念，包括負反饋概念。大部分重點是放在環(huán)路增益丁作為電路性能的一種度量標準上。向?qū)W生介紹簡化的PSpice模型，這一模型將隨著本書的進程愈漸復雜和精確。如果有些教師發(fā)現(xiàn)環(huán)路增益的處理是過早的話可以跳過一部分，而在稍后某個更為合適的時機再重新回到這一論題上來。由于各節(jié)和各章都盡可能安排成互為獨立的，所以這樣一類內(nèi)容的重新組織是方便易行的；加之，章末習題也是按節(jié)組成的。第2章與各種儀器儀表和傳感器放大器一起處理I-V，V-I和I-I轉(zhuǎn)換器。這一章將重點放在各種反饋拓撲結(jié)構(gòu)和環(huán)路增益丁的作用上。第3章包含一階濾波器，音頻濾波器和常用的二階濾波器，像KRC、多重反饋、狀態(tài)變量和雙二階拓撲結(jié)構(gòu)等二階濾波器。本章重點在復平面系統(tǒng)的概念，并以濾波器靈敏度的討論結(jié)束。欲想在有關濾波器專題方面作較深人了解的讀者會發(fā)現(xiàn)第4章是有用的。這一章包括了用級聯(lián)和直接的方法討論了高階濾波器的綜合。另外，這些方法既是對有源RC濾波器，又是對開關電容（SC）濾波器的情況提出的。第5章專注于由輸入端引起的運算放大器誤差，諸如Vos，Ib，Ios，CMRR，PSRR和漂移，并與它們的運行極限一起討論。向?qū)W生們介紹技術指標和性能參數(shù)的說明，PSpice的宏模型，以及不同的工藝和拓撲。第6章著重討論在頻域和時域的動態(tài)根限，并研究它們對電阻性電路和在第1部分主要利用理想運算放大器模型所討論的濾波器上的影響。詳細地對電壓反饋和電流反饋進行比較，并廣泛應用PSpice對有代表性的電路例子在頻率響應和暫態(tài)響應上作可視化展示。在已經(jīng)掌握了利用理想或接近理想運算放大器的前4章內(nèi)容之后，現(xiàn)在學生們就處在一個更加好的位置去鑒賞和評價實際器件的限制所造成的結(jié)果。將在第5和第6章所學到的原理結(jié)合起來，自然而然地就緊跟著第7章有關交流噪聲的內(nèi)容。噪聲計算和估計代表著另一個領域，其中PSpice證明是一種最有用的工具。第Ⅱ部分以第8章的穩(wěn)定性專題結(jié)束。這些內(nèi)容均是以方便于論題的選取來安排的，并將重點放在面向一個系統(tǒng)的方式上。還是大量應用PSpice來觀察已給出的不同頻率補償技術得到的效果。從第9章開始的第Ⅲ部分涉及非線性應用。這里，非線性特性行為要么源自沒有反饋（電壓比較器），要么是存在反饋但屬于正反饋類型（施密特觸發(fā)器），或是負反饋但是應用了像二極管和開關（精密整流器、峰值檢波器、跟蹤保持放大器）這樣一類非線性元件。第10章包含各種信號發(fā)生器，其中有文氏橋式和正交振蕩器、多諧振蕩器、定時器、函數(shù)發(fā)生器，以及V-F和F-V轉(zhuǎn)換器。第11章專注于調(diào)節(jié)器。由電壓基準開始，從線性電壓調(diào)節(jié)器到開關調(diào)節(jié)器。最后這個論題（開關調(diào)節(jié)器）自20世紀80年代以來一直是最受關注和工業(yè)界活動的中心，并且關于這一專題已經(jīng)寫出了多本專著。必然地，這一章僅能讓學生接觸到這一最為重要領域的若干基礎知識。第12章處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。用系統(tǒng)的方式處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的技術要求，并給出各種多重I>A的應用。本章以過采樣轉(zhuǎn)換原理和Z-IX轉(zhuǎn)換器作為結(jié)束。關于這一專題也有大量專著寫就，所以這一章必然地也是僅能讓學生接觸一點最基本的東西。第13章是本書用各種非線性電路作為結(jié)束，其中有對數(shù)/反對數(shù)放大器，模擬乘法器，以及用一種簡要接觸g，—C濾波器的方式構(gòu)成的運算跨導放大器。本章以介紹鎖相環(huán)達到頂點而告終；這是一個將前面各章討論的各個方面所涉及的重要內(nèi)容組合在一起的專題。網(wǎng)址與本書配套的有一個網(wǎng)址（http：//www.mhhe．com/franco），它含有各種教師和學生使用的資源，以及其他有用的鏈接。在本書一些頁碼的邊緣均配置了網(wǎng)址標志，這些表明屬于網(wǎng)址資源最有用的地方。教師資源由習題解答、可下載軟件、PSpice例題的Windows版本和PageOut（鏈接到McGraw-Hill課程WebsiteDevelopmentTools）組成。學生資源由可下載軟件和PSpice例題的Windows版本組成。作者歡迎經(jīng)由電子郵件sfranco@sfsu．edu的各種反饋信息。致謝在第3版中所作的某些變化是對從工業(yè)界和學術界接收到許多讀者反饋意見的一種回應，我僅對那些花去寶貴時間給我發(fā)電子郵件的所有的人表示誠摯的謝意。另外，下面提到的評閱人曾對以前的版本給過詳細的評閱并對當前的修訂版提出過寶貴的建議。全部建議都經(jīng)仔細斟酌過，倘若僅有一部分被兌現(xiàn)的話，這絕不是麻木不仁或熟視無睹，而是由于出版上的限制，或者是個人看法的緣故。對所有的評閱者致以深深地感謝：J．AlvinConnelly，Georgialnstituteo{Technology；DraganMaksimovie，Universityo{Colorado-Boulder；PhilipC．Munro，YoungstownStateUniversity；ThomasG．Owen，UniversityofNorthCarolina—Charlotte；Dr．GuillermoRico，NewMexicoStateUniversity；MahmoudF。Wagdy，Califor—niaStateUniversity-LongBeach；SubbarayaYuvarajan，NorthDakotaStateUniversity。在PSpice工作中，RichardC．Jaeger，AuburnUniversity也曾給過幫助我仍然要對前兩個版本的評閱者表示感謝，他們是：StanleyG．Burns，IowaStateUni—versity；MichaelM．Cirovic，CaliforniaPolytechnicStateUniversity-SanLuisObispo；J．A1—vinConnelly，GeorgialnstituteofTechnology；WilliamJ．Eccles，Rose—HulmanlnstituteofTechnology；AmirFarhat，NortheasternUniversity；WardJ．Helms，UniversityofWash—ington；FrankH．Hielscher，LehighUniversity；RichardC．Jaeger，AuburnUniversity；FrancoMaddaleno，PolitecnicodiTorino，Italy；DraganMaksimovic，UniversityofColorad—o-Boulder；和ArthurB．Williams，CoherentCommunicationsSystemsCorporation。最后，對我的太太DianaMay對我的鼓勵和堅定不移的支持表示衷心的感謝。SergioFranco賽爾吉歐·佛朗哥

　　賽爾吉歐·佛朗歌（Sergio Franco），現(xiàn)為美國舊金山州立大學（San Francisco State University）電氣工程教授。他生于意大利的弗里矣雷（Friuli），獲伊利諾伊大學（University of Illinois at Urbana-Champaign）博士學位。在就任現(xiàn)職之前，F(xiàn)ranco博士已有過很廣泛的工作。