基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计（第3版）

　　在近10多年内，由于数字电子学的盛行，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；这可以概括为这样一句话：“倘若你无法用数字的方法来实现的话，它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，比起数字设计来说，相对于一种有规则的科学，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值得吗？抑或最好还是就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很多功能，今天都用数字形式给予实现了。其中最为常见的例子就是数字音响，这里由拾音器和其他的声音传感器产生的模拟信号利用一些放大器和滤波器经适当地处理，然后转换为数字形式以作进一步处理，譬如混合、编辑和产生某些特殊效果，以及更多为了传输、存储和提取而同样重要的琐碎工作。最后，将数字信号转换回到模拟信号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就是缘于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供进一步处理，和从数字转换回模拟供物理世界再利用等这样一些电路都还需要用到模拟电路。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，当今的许多应用最好是由混合模式的集成电路（混合模式IC）和系统来提出，它依赖模拟电路与物理世界接口，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整个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；在滤波中的开关电容技术和在数据转换中的2—厶技术就是为大家所熟知的例子。由于以上原因，对于有能力的模拟设计师们还是继续具有很强的需求。即使是纯数字电路，当将它们推向运算极限时，还是要呈现模拟的特性行为的。因此，对于模拟设计原理和技术的牢固掌握在任何IC（无论是纯数字或纯模拟的IC）设计中都是一笔宝贵的财富。关于这本教科书这本书的目的是利用实际的器件和应用说明一般的模拟原理和设计方法学。本书旨在用作本科生和研究生在用模拟集成电路（模拟IC）设计和应用方面课程的一本教科书，以及为实际工程师们用作一本参考书。读者在电子学方面应有初步基础，熟悉频域分析方法，并在PSpice应用方面具有基本训练。尽管本书包括的内容足够用作两个学期的课程，但是经适当挑选之后也能用作一个学期课程的基础。由于本书及其每一章一般都是按从简到繁，先易后难的次序写就的，所以挑选过程是极易完成的。在旧金山州立大学（SanFranciscoStateUniversity），我们使用这本书作为两个一学期课程的系列课对待；一个是在本科高年级，另一个是在研究生层次上。在高年级的课程中，包括了第1～3章，第5～6章，以及第9～10章的大部分；在研究生的课程中则包括全部余下的部分。在高年级的课程中是与模拟IC制造和设计课程并行的。为了更为有效地使用模拟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，本书在一种设计判断上给出了工艺和电路因素方面的直观说明。第3版保留了第2版不同于第1版的那些特点，即在教学法方面大的加强，包含了PSpice仿真，并扩充了主要内容，其中有电流反馈放大器、开关调节器、∑—厶转换器以及锁相环。另外，负反馈概念得到进一步的清晰和加强，各章末的习题数量增加了10％，使总数达到579道题。虽然很多读者都毫无疑问地愿意使用PSpice的Windows版本，在经仔细斟酌之后，考虑到教学法方面的优点，决定还是保留了第2版中的netlist（网表）版本。然而，有兴趣的读者还是可以在附设的网站http：//WWW．mhhe．com/franco上找到本书netlist例子的Windows版本。为了将一般性和最基本的原理用一种超脱于最新的工艺趋势来写就的目的，精选了业已确立并广泛形成文件的器件和工艺作为载体来阐明这样一些原理。然而，只要有必要，还是要让读者了解一些更为现代的器件，以及参考的资源并在何处找到它们。本书内容梗概尽管没有明确指出，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介绍基本概念和应用。我们觉得在学生着手处理并评价实际器件限制的后果以前需要对理想（或接近理想）运算放大器的情况树立足够的自信。各种运算放大器的限制是第二部分（第5—8章）的主要内容，在这一版中有关这方面的内容要比前两版更为系统和详细。最后，第三部分（第9～13章）利用读者在前两部分所获得的成熟和判断力致力于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。大部分重点是放在环路增益丁作为电路性能的一种度量标准上。向学生介绍简化的PSpice模型，这一模型将随着本书的进程愈渐复杂和精确。如果有些教师发现环路增益的处理是过早的话可以跳过一部分，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可能安排成互为独立的，所以这样一类内容的重新组织是方便易行的；加之，章末习题也是按节组成的。第2章与各种仪器仪表和传感器放大器一起处理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丁的作用上。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。本章重点在复平面系统的概念，并以滤波器灵敏度的讨论结束。欲想在有关滤波器专题方面作较深人了解的读者会发现第4章是有用的。这一章包括了用级联和直接的方法讨论了高阶滤波器的综合。另外，这些方法既是对有源RC滤波器，又是对开关电容（SC）滤波器的情况提出的。第5章专注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，并与它们的运行极限一起讨论。向学生们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。第6章着重讨论在频域和时域的动态根限，并研究它们对电阻性电路和在第1部分主要利用理想运算放大器模型所讨论的滤波器上的影响。详细地对电压反馈和电流反馈进行比较，并广泛应用PSpice对有代表性的电路例子在频率响应和暂态响应上作可视化展示。在已经掌握了利用理想或接近理想运算放大器的前4章内容之后，现在学生们就处在一个更加好的位置去鉴赏和评价实际器件的限制所造成的结果。将在第5和第6章所学到的原理结合起来，自然而然地就紧跟着第7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证明是一种最有用的工具。第Ⅱ部分以第8章的稳定性专题结束。这些内容均是以方便于论题的选取来安排的，并将重点放在面向一个系统的方式上。还是大量应用PSpice来观察已给出的不同频率补偿技术得到的效果。从第9章开始的第Ⅲ部分涉及非线性应用。这里，非线性特性行为要么源自没有反馈（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），或是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。第10章包含各种信号发生器，其中有文氏桥式和正交振荡器、多谐振荡器、定时器、函数发生器，以及V-F和F-V转换器。第11章专注于调节器。由电压基准开始，从线性电压调节器到开关调节器。最后这个论题（开关调节器）自20世纪80年代以来一直是最受关注和工业界活动的中心，并且关于这一专题已经写出了多本专著。必然地，这一章仅能让学生接触到这一最为重要领域的若干基础知识。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，并给出各种多重I>A的应用。本章以过采样转换原理和Z-IX转换器作为结束。关于这一专题也有大量专著写就，所以这一章必然地也是仅能让学生接触一点最基本的东西。第13章是本书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g，—C滤波器的方式构成的运算跨导放大器。本章以介绍锁相环达到顶点而告终；这是一个将前面各章讨论的各个方面所涉及的重要内容组合在一起的专题。网址与本书配套的有一个网址（http：//www.mhhe．com/franco），它含有各种教师和学生使用的资源，以及其他有用的链接。在本书一些页码的边缘均配置了网址标志，这些表明属于网址资源最有用的地方。教师资源由习题解答、可下载软件、PSpice例题的Windows版本和PageOut（链接到McGraw-Hill课程WebsiteDevelopmentTools）组成。学生资源由可下载软件和PSpice例题的Windows版本组成。作者欢迎经由电子邮件sfranco@sfsu．edu的各种反馈信息。致谢在第3版中所作的某些变化是对从工业界和学术界接收到许多读者反馈意见的一种回应，我仅对那些花去宝贵时间给我发电子邮件的所有的人表示诚挚的谢意。另外，下面提到的评阅人曾对以前的版本给过详细的评阅并对当前的修订版提出过宝贵的建议。全部建议都经仔细斟酌过，倘若仅有一部分被兑现的话，这绝不是麻木不仁或熟视无睹，而是由于出版上的限制，或者是个人看法的缘故。对所有的评阅者致以深深地感谢：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也曾给过帮助我仍然要对前两个版本的评阅者表示感谢，他们是：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，对我的太太DianaMay对我的鼓励和坚定不移的支持表示衷心的感谢。SergioFranco赛尔吉欧·佛朗哥

　　赛尔吉欧·佛朗歌（Sergio Franco），现为美国旧金山州立大学（San Francisco State University）电气工程教授。他生于意大利的弗里矣雷（Friuli），获伊利诺伊大学（University of Illinois at Urbana-Champaign）博士学位。在就任现职之前，Franco博士已有过很广泛的工作。