運算放大器從入門到精通

單極點(網名)曾是德州儀器模擬工程師，在模擬半導體行業從業近15年，2023年創辦“模擬世界的搬運工”自媒體。

目　　錄

 

第 1章　運算放大器的發展史 1

1.1　愛迪生效應 1

1.2　真空管時代 1

1.2.1 真空二極管 1

1.2.2 真空三極管 2

1.2.3 真空管運算放大器 3

1.3　從晶體管到集成電路 4

1.4　集成運算放大器 4

 

第 2章　運算放大器的基礎知識 6

2.1　晶體管 6

2.1.1 雙極型晶體管 6

2.1.2 場效應管 8

2.2　理想運算放大器 9

2.3　疊加定理 10

2.4　負反饋 10

2.4.1 由理想運算放大器構成的同相比例放大電路 11

2.4.2 由理想運算放大器構成的反相比例放大電路 12

2.4.3 負反饋對放大電路性能的影響 13

2.5　運算放大器的內部結構 14

第3章　運算放大器的關鍵指標 18

3.1　失調電壓 19

3.1.1 失調電壓的來源與定義 19

3.1.2 失調電壓溫漂 20

3.1.3 失調電壓矯正辦法 21

3.1.4 實際應用中的註意事項 25

3.2　輸入參數 26

3.2.1 偏置電流 26

3.2.2 失調電流 28

3.2.3 輸入阻抗 29

3.2.4 共模電壓範圍 30

3.2.5 差分電壓範圍 31

3.2.6 共模電壓抑制比 32

3.3　輸出參數 34

3.3.1 輸出電壓範圍 34

3.3.2 短路電流 35

3.3.3 開環輸出阻抗 35

3.3.4 閉環輸出阻抗 36

3.4　電源參數 37

3.4.1 靜態電流 37

3.4.2 供電電源 37

3.4.3 電源抑制比 38

3.4.4 旁路電容 39

3.5　開環增益、閉環增益和環路增益 39

3.5.1 開環增益 39

3.5.2 閉環增益和環路增益 40

3.6　頻率參數 42

3.6.1 單位增益帶寬 42

3.6.2 增益帶寬積 43

3.6.3 壓擺率和全功率帶寬 44

3.6.4 建立時間 45

3.6.5 總諧波失真加噪聲 45

3.7　噪聲 46

3.7.1 噪聲的有效值和峰峰值 47

3.7.2 多個噪聲源的有效值 48

3.7.3 噪聲譜密度和噪聲電壓 48

3.7.4 噪聲的分類 49

3.7.5 噪聲的顏色 50

3.7.6 等效噪聲帶寬 51

3.7.7 1/f噪聲計算 53

3.7.8 運算放大器噪聲計算 53

3.7.9 運算放大器噪聲計算實例 55

3.8　熱性能參數 57

3.8.1 結到環境熱阻 57

3.8.2 結到外殼（頂部）熱阻 58

3.8.3 結到外殼（底部）熱阻 58

3.8.4 結到電路板熱阻 58

3.8.5 結到頂部特征參數 59

3.8.6 結到電路板特征參數 59

3.8.7 熱阻和熱特征參數的使用 59

3.9　靜電放電 59

3.9.1 靜電放電的由來和影響 59

3.9.2 人體模型 60

3.9.3 器件充電模型 60

3.9.4 機器模型 61

3.9.5 運算放大器的ESD 61

 

第4章　運算放大器的環路穩定性 63

4.1　運算放大器的不穩定現象 63

4.2　環路穩定性基礎 64

4.2.1 負反饋放大電路的穩定性判定依據 64

4.2.2 波特圖 66

4.2.3 AOL和1/β 閉合速度 67

4.2.4 相位裕度和增益裕度 68

4.2.5 相位裕度和超調量 69

4.2.6 交流反饋環路斷開法 73

4.3　單位增益跟隨器電路環路穩定性 75

4.3.1 單位增益跟隨器電路的不穩定現象 75

4.3.2 單位增益跟隨器電路的穩定性理論分析 77

4.3.3 單位增益跟隨器穩定性補償之隔離電阻 79

4.3.4 單位增益跟隨器穩定性補償之雙反饋 82

4.4　比例放大電路環路穩定性 83

4.4.1 比例放大電路的不穩定現象 83

4.4.2 比例放大電路的穩定性理論分析 85

4.4.3 比例放大電路穩定性補償之隔離電阻（RISO） 86

4.4.4 比例放大電路穩定性補償之雙反饋 89

4.4.5 比例放大電路穩定性補償之反饋電容（C f） 90

4.4.6 比例放大電路穩定性補償之噪聲增益 94

4.4.7 比例放大電路穩定性補償總結 98

 

第5章　運算放大器的典型電路 99

5.1　基本電路 99

5.1.1 跟隨器電路 99

5.1.2 反相比例放大電路 100

5.1.3 反相比例求和電路 101

5.1.4 同相比例放大電路 101

5.1.5 差分比例放大電路 102

5.1.6 積分器電路 110

5.1.7 微分電路 113

5.2　電流檢測電路 122

5.2.1 光電二極管電流檢測的跨阻放大器電路 122

5.2.2 低邊單向電流檢測電路 124

5.2.3 低邊雙向電流檢測電路 125

5.2.4 高邊電流檢測電路 127

5.3　電壓電流轉換電路 127

5.3.1 運算放大器與BJT構成的低邊電壓電流轉換電路 127

5.3.2 運算放大器與MOSFET構成的低邊電壓電流轉換電路 128

5.3.3 運算放大器與BJT構成的高邊電壓電流轉換電路 128

5.3.4 運算放大器與MOSFET構成的高邊電壓電流轉換電路 129

5.4　整流器電路 129

5.4.1 半波整流器電路 129

5.4.2 全波整流器電路（絕對值電路） 130

5.4.3 精密二極管電路 131

5.4.4 精密鉗位電路 132

 

第6章　特殊功能放大器 133

6.1　儀表放大器 133

6.1.1 雙運算放大器儀表放大器 133

6.1.2 三運算放大器儀表放大器 134

6.2　比較器 135

6.2.1 比較器基礎 135

6.2.2 具有遲滯功能的同相比較電路 136

6.2.3 具有遲滯功能的反相比較電路 137

6.2.4 張弛振蕩器電路 139

6.2.5 將運算放大器用於比較器 140

6.3　對數放大器 141

6.4　跨導放大器 143

6.5　跨阻放大器 143

6.6　電流反饋運算放大器 144

 

第7章　基於運算放大器的模擬濾波器設計 145

7.1　濾波器基礎 145

7.1.1 模擬濾波器的實現方法 145

7.1.2 模擬濾波器的分類 146

7.1.3 模擬濾波器的關鍵頻率點 147

7.1.4 二階低通濾波器 147

7.1.5 二階高通、帶通、帶阻、全通濾波器 150

7.2　基於運算放大器的低通濾波器 151

7.2.1 Sallen-Key型單位增益低通濾波器 151

7.2.2 Sallen-Key型同相比例放大低通濾波器 152

7.2.3 Sallen-Key型低通濾波器的高頻饋通現象 152

7.2.4 MFB型低通濾波器 154

7.3　基於運算放大器的高通濾波器 155

7.3.1 Sallen-Key型單位增益高通濾波器 155

7.3.2 Sallen-Key型同相比例放大高通濾波器 155

7.3.3 MFB型高通濾波器 156

7.4　基於運算放大器的帶通濾波器 156

7.4.1 雙頻點帶通濾波器 157

7.4.2 單頻點帶通濾波器 157

7.5　基於運算放大器的帶阻濾波器 161

7.5.1 雙頻點帶阻濾波器 161

7.5.2 單頻點帶阻濾波器（陷波器） 161

7.6　基於運算放大器的全通濾波器 166

 

第8章　運算放大器應用案例 168

8.1　開環自激振蕩磁通門電流傳感器 168

8.1.1 基本原理和結構 168

8.1.2 自激振蕩電路原理分析 169

8.1.3 低通濾波器電路 171

8.1.4 電流傳感器設計理論步驟 173

8.1.5 實際的電流傳感器參數設計 173

8.1.6 器件選型和仿真 175

8.2　新能源汽車中的絕緣檢測 179

8.2.1 絕緣檢測的應用場景 179

8.2.2 新能源汽車中絕緣檢測典型電路原理 180

8.2.3 新能源汽車絕緣檢測電路仿真 183

8.3　三運算放大器構建自舉高輸出電壓擴展 185

8.3.1 高輸出電壓擴展應用背景 185

8.3.2 三運算放大器自舉電壓擴展基本原理 185

8.3.3 三運算放大器自舉電壓擴展電路仿真 186

8.4　電機控制系統中的壓擺率限制電路 187

8.4.1 壓擺率限制電路應用背景 187

8.4.2 壓擺率限制電路基本原理 187

8.4.3 壓擺率限制電路仿真 188

8.4.4 壓擺率限制電路穩定性分析 189

8.5　遠距離被動紅外傳感器調理電路 194

8.5.1 被動紅外傳感器應用背景 194

8.5.2 遠距離被動紅外傳感器調理電路原理 194

8.5.3 遠距離被動紅外傳感器調理電路仿真 195

參考文獻 196