基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)（第3版）

　　在近10多年內(nèi)，由于數(shù)字電子學(xué)的盛行，有很多關(guān)于幾乎不再需要模擬電路的預(yù)言。在遠(yuǎn)沒有證實(shí)這種預(yù)言是否正確之前，這一論點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的話，它就可以用模擬的方式來完成。”更為甚者，一般都有這樣一種誤解，比起數(shù)字設(shè)計(jì)來說，相對(duì)于一種有規(guī)則的科學(xué)，似乎模擬設(shè)計(jì)是一種更為玄乎和捉摸不定的藝術(shù)。對(duì)于受困惑的學(xué)生來說如何來理解這一爭(zhēng)論？繼續(xù)選修某些模擬電子學(xué)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(xué)領(lǐng)域的很多功能，今天都用數(shù)字形式給予實(shí)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(hào)利用一些放大器和濾波器經(jīng)適當(dāng)?shù)靥幚?，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式以作進(jìn)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(chǔ)和提取而同樣重要的瑣碎工作。最后，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回到模擬信號(hào)經(jīng)由揚(yáng)聲器播放出來。之所以想用數(shù)字方法實(shí)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(yīng)這些物理信號(hào)，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(jìn)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(shì)，新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn)；無線通信就是一個(gè)很好的例子。的確如此，當(dāng)今的許多應(yīng)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(gè)模擬電路或許僅占這塊整個(gè)芯片面積的一小部分，但它往往卻是設(shè)計(jì)中極具挑戰(zhàn)性的部分，并且在整個(gè)系統(tǒng)的性能上起著關(guān)鍵作用。在這一方面，通常所謂的模擬設(shè)計(jì)師就要用明確的數(shù)字工藝為實(shí)現(xiàn)模擬功能的任務(wù)構(gòu)思出獨(dú)創(chuàng)性的解決方案；在濾波中的開關(guān)電容技術(shù)和在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的2—厶技術(shù)就是為大家所熟知的例子。由于以上原因，對(duì)于有能力的模擬設(shè)計(jì)師們還是繼續(xù)具有很強(qiáng)的需求。即使是純數(shù)字電路，當(dāng)將它們推向運(yùn)算極限時(shí)，還是要呈現(xiàn)模擬的特性行為的。因此，對(duì)于模擬設(shè)計(jì)原理和技術(shù)的牢固掌握在任何IC（無論是純數(shù)字或純模擬的IC）設(shè)計(jì)中都是一筆寶貴的財(cái)富。關(guān)于這本教科書這本書的目的是利用實(shí)際的器件和應(yīng)用說明一般的模擬原理和設(shè)計(jì)方法學(xué)。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(shè)計(jì)和應(yīng)用方面課程的一本教科書，以及為實(shí)際工程師們用作一本參考書。讀者在電子學(xué)方面應(yīng)有初步基礎(chǔ)，熟悉頻域分析方法，并在PSpice應(yīng)用方面具有基本訓(xùn)練。盡管本書包括的內(nèi)容足夠用作兩個(gè)學(xué)期的課程，但是經(jīng)適當(dāng)挑選之后也能用作一個(gè)學(xué)期課程的基礎(chǔ)。由于本書及其每一章一般都是按從簡(jiǎn)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(xué)（SanFranciscoStateUniversity），我們使用這本書作為兩個(gè)一學(xué)期課程的系列課對(duì)待；一個(gè)是在本科高年級(jí)，另一個(gè)是在研究生層次上。在高年級(jí)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(jí)的課程中是與模擬IC制造和設(shè)計(jì)課程并行的。為了更為有效地使用模擬IC，用戶略知一點(diǎn)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(shè)計(jì)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(diǎn)，即在教學(xué)法方面大的加強(qiáng)，包含了PSpice仿真，并擴(kuò)充了主要內(nèi)容，其中有電流反饋放大器、開關(guān)調(diào)節(jié)器、∑—厶轉(zhuǎn)換器以及鎖相環(huán)。另外，負(fù)反饋概念得到進(jìn)一步的清晰和加強(qiáng)，各章末的習(xí)題數(shù)量增加了10％，使總數(shù)達(dá)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(xì)斟酌之后，考慮到教學(xué)法方面的優(yōu)點(diǎn)，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(shè)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(shì)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(shí)際上是由三個(gè)部分組成的。第一部分（第1—4章）基于將運(yùn)算放大器作為一種理想器件介紹基本概念和應(yīng)用。我們覺得在學(xué)生著手處理并評(píng)價(jià)實(shí)際器件限制的后果以前需要對(duì)理想（或接近理想）運(yùn)算放大器的情況樹立足夠的自信。各種運(yùn)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(guān)這方面的內(nèi)容要比前兩版更為系統(tǒng)和詳細(xì)。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(shè)計(jì)的各種應(yīng)用。下面是各章內(nèi)容的簡(jiǎn)要描述。第1章復(fù)習(xí)基本放大器概念，包括負(fù)反饋概念。大部分重點(diǎn)是放在環(huán)路增益丁作為電路性能的一種度量標(biāo)準(zhǔn)上。向?qū)W生介紹簡(jiǎn)化的PSpice模型，這一模型將隨著本書的進(jìn)程愈漸復(fù)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(gè)更為合適的時(shí)機(jī)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(dú)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(xí)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(diǎn)放在各種反饋拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)等二階濾波器。本章重點(diǎn)在復(fù)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(guān)濾波器專題方面作較深人了解的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)第4章是有用的。這一章包括了用級(jí)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(duì)有源RC濾波器，又是對(duì)開關(guān)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(yùn)算放大器誤差，諸如Vos，Ib，Ios，CMRR，PSRR和漂移，并與它們的運(yùn)行極限一起討論。向?qū)W生們介紹技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)的說明，PSpice的宏模型，以及不同的工藝和拓?fù)洹５?章著重討論在頻域和時(shí)域的動(dòng)態(tài)根限，并研究它們對(duì)電阻性電路和在第1部分主要利用理想運(yùn)算放大器模型所討論的濾波器上的影響。詳細(xì)地對(duì)電壓反饋和電流反饋進(jìn)行比較，并廣泛應(yīng)用PSpice對(duì)有代表性的電路例子在頻率響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)上作可視化展示。在已經(jīng)掌握了利用理想或接近理想運(yùn)算放大器的前4章內(nèi)容之后，現(xiàn)在學(xué)生們就處在一個(gè)更加好的位置去鑒賞和評(píng)價(jià)實(shí)際器件的限制所造成的結(jié)果。將在第5和第6章所學(xué)到的原理結(jié)合起來，自然而然地就緊跟著第7章有關(guān)交流噪聲的內(nèi)容。噪聲計(jì)算和估計(jì)代表著另一個(gè)領(lǐng)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(diǎn)放在面向一個(gè)系統(tǒng)的方式上。還是大量應(yīng)用PSpice來觀察已給出的不同頻率補(bǔ)償技術(shù)得到的效果。從第9章開始的第Ⅲ部分涉及非線性應(yīng)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(fù)反饋但是應(yīng)用了像二極管和開關(guān)（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(hào)發(fā)生器，其中有文氏橋式和正交振蕩器、多諧振蕩器、定時(shí)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(zhǔn)開始，從線性電壓調(diào)節(jié)器到開關(guān)調(diào)節(jié)器。最后這個(gè)論題（開關(guān)調(diào)節(jié)器）自20世紀(jì)80年代以來一直是最受關(guān)注和工業(yè)界活動(dòng)的中心，并且關(guān)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(xué)生接觸到這一最為重要領(lǐng)域的若干基礎(chǔ)知識(shí)。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(shù)要求，并給出各種多重I>A的應(yīng)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(guān)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(xué)生接觸一點(diǎn)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(duì)數(shù)/反對(duì)數(shù)放大器，模擬乘法器，以及用一種簡(jiǎn)要接觸g，—C濾波器的方式構(gòu)成的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。本章以介紹鎖相環(huán)達(dá)到頂點(diǎn)而告終；這是一個(gè)將前面各章討論的各個(gè)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(gè)網(wǎng)址（http：//www.mhhe．com/franco），它含有各種教師和學(xué)生使用的資源，以及其他有用的鏈接。在本書一些頁(yè)碼的邊緣均配置了網(wǎng)址標(biāo)志，這些表明屬于網(wǎng)址資源最有用的地方。教師資源由習(xí)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(xué)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(duì)從工業(yè)界和學(xué)術(shù)界接收到許多讀者反饋意見的一種回應(yīng)，我僅對(duì)那些花去寶貴時(shí)間給我發(fā)電子郵件的所有的人表示誠(chéng)摯的謝意。另外，下面提到的評(píng)閱人曾對(duì)以前的版本給過詳細(xì)的評(píng)閱并對(duì)當(dāng)前的修訂版提出過寶貴的建議。全部建議都經(jīng)仔細(xì)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(gè)人看法的緣故。對(duì)所有的評(píng)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(duì)前兩個(gè)版本的評(píng)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(duì)我的太太DianaMay對(duì)我的鼓勵(lì)和堅(jiān)定不移的支持表示衷心的感謝。SergioFranco賽爾吉?dú)W·佛朗哥

　　賽爾吉?dú)W·佛朗歌（Sergio Franco），現(xiàn)為美國(guó)舊金山州立大學(xué)（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(xué)（University of Illinois at Urbana-Champaign）博士學(xué)位。在就任現(xiàn)職之前，F(xiàn)ranco博士已有過很廣泛的工作。