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模擬電路原理與設計

包郵 模擬電路原理與設計

出版社：北京郵電大學出版社出版時間：2020-08-01
開本： 其他 頁數： 232
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模擬電路原理與設計 版權信息

模擬電路原理與設計 內容簡介

本書包括了電子和模擬電路工程師所必須掌握的*基本的分析技術和概念；從*底層的電路理論（拉普拉斯變換、傳遞函數、頻率響應、伯德圖和時域響應等）出發，然后介紹運算放大器的電路和參數（擺速的計算、失調的組成等），并提升至頂層的電路技術（帶隙基準源和全差分運放的頻域分析等）。此外，書中結合了實際工程中的案例，對部分基本原理進行了講解。本書面向的是通信電子類工程師、大學教師以及在校研究生。

模擬電路原理與設計 目錄

模擬電路原理與設計
目錄

目錄


第1章電路理論1

1.1電路定理1

1.1.1基爾霍夫電流和電壓定律1

1.1.2疊加定理1

1.1.3戴維南定理與諾頓定理2

1.1.4電流源、電壓源和受控源3

1.1.5符號使用規則4

1.2從復指數信號到傅里葉變換5

1.2.1復指數信號與頻率譜5

1.2.2傅里葉變換7

1.3拉普拉斯變換8

1.3.1從傅里葉變換到拉普拉斯變換8

1.3.2電容和電感阻抗的拉普拉斯變換9

1.4傳遞函數10

1.4.1串聯電容電路10

1.4.2并聯電容電路11

1.5零點與極點11

1.6頻率響應11

1.6.1圖解法12

1.6.2解析法13

1.7伯德圖14

1.7.1串聯電容電路的伯德圖14

1.7.2并聯電容電路的伯德圖15

1.7.3放大器的頻率響應16

1.8時間響應17

1.8.1一階電路17

1.8.2二階電路18

1.9小結18

練習題19

第2章半導體二極管與雙極型晶體管21

2.1半導體二極管21

2.1.1直流特性21

2.1.2PN結的性質22

2.1.3大信號模型25

2.1.4小信號模型26

2.2雙極型晶體管27

2.2.1物理結構與電路符號27

2.2.2工作原理28

2.2.3大信號特性29

2.2.4小信號參數與模型30

2.3小結32

練習題32

第3章MOS晶體管34

3.1物理結構與工作原理34

3.1.1NMOS管的結構34

3.1.2溝道的生成35

3.1.3三個工作區36

3.1.4導出iDvDS關系式37

3.1.5NMOS管的電路符號39

3.2大信號特性40

3.2.1傳遞特性曲線40

3.2.2輸出特性曲線41

3.2.3亞閾值區42

3.2.4PMOS管的電特性43

3.3小信號參數與模型44

3.3.1計算跨導44

3.3.2小信號模型46

3.3.3體效應47

3.4三種MOS基本放大器48

3.4.1共源放大器(CS)48

3.4.2共柵放大器(CG)48

3.4.3共漏放大器(CD)50

3.5MOS管的高頻特性51

3.5.1柵極與溝道之間的電容51

3.5.2柵極與源漏區之間的重疊電容52

3.5.3結電容52

3.5.4高頻模型52

3.6基本放大器的高頻特性53

3.6.1MOS管的Miller效應53

3.6.2共源放大器54

3.6.3共柵放大器54

3.6.4源極跟隨器56

3.7小結57

練習題57

第4章理想運算放大器60

4.1什么是理想運算放大器60

4.2反相放大器61

4.2.1反相放大器分析61

4.2.2反相放大器用作加法器63

4.3同相放大器63

4.3.1同相放大器分析63

4.3.2電壓跟隨器64

4.4運放的基本應用65

4.4.1電流電壓轉換器65

4.4.2電壓電流轉換器66

4.4.3差值放大器67

4.4.4測量放大器68

4.4.5阻抗元件反相放大器70

4.4.6反相積分器71

4.4.7精密半波整流器73

4.5運放電路的設計74

4.5.1基準電壓源設計74

4.5.2橋式電路設計75

4.6小結76

練習題76

第5章運算放大器的參數78

5.1輸入參數78

5.1.1輸入電阻ri78

5.1.2輸入電容Ci79

5.1.3輸入失調電壓VOS79

5.1.4輸入共模電壓范圍VICR79

5.2輸出參數80

5.3傳遞參數80

5.3.1差分電壓增益Ad80

5.3.2帶寬BW80

5.3.3單位增益帶寬f181

5.3.4增益帶寬積GBW81

5.3.5共模抑制比CMRR81

5.3.6電源抑制比PSRR81

5.3.7擺速SR82

5.3.8總諧波失真THD83

5.3.9穩定時間ts84

5.3.10相位裕度Φm和幅值裕度Am84

5.4閉環放大器的低頻增益85

5.4.1實際反相放大器的低頻增益85

5.4.2實際同相放大器的低頻增益86

5.5閉環放大器的頻率響應86

5.5.1實際運放的開環頻率特性86

5.5.2實際的閉環頻率特性87

5.6擺速與帶寬88

5.6.1上升擺速SR+的計算88

5.6.2下降擺速SR-的計算89

5.6.3反饋使運放回到線性狀態90

5.6.4帶寬90

5.6.5擺速與帶寬的關系91

5.7失調電壓91

5.7.1差分級輸入管引起的失調電壓91

5.7.2差分級負載電阻引起的失調電壓93

5.7.3失調電壓的漂移94

5.8小結94

練習題94

第6章反饋96

6.1基本反饋理論96

6.2負反饋的優點97

6.2.1降低增益敏感度和非線性失真97

6.2.2擴展帶寬98

6.2.3抑制噪聲98

6.3四種反饋結構99

6.3.1理想情況下的參數計算100

6.3.2實際電路的參數計算103

6.4穩定性與環路增益105

6.4.1穩定性問題106

6.4.2如何確定環路增益106

6.5放大器的伯德圖107

6.5.1兩極點放大器107

6.5.2三極點放大器108

6.5.3反饋放大器的環路增益108

6.6穩定性判據109

6.6.1奈奎斯特判據109

6.6.2用伯德圖判別穩定性111

6.6.3相位裕度和幅值裕度112

6.7小結113

練習題113

第7章頻率補償115

7.1主極點補償115

7.1.1利用負載電容的主極點補償115

7.1.2利用Miller電容的主極點補償118

7.2幅值補償123

7.3超前補償124

7.4同相與反相放大器的環路增益125

7.5小結126

練習題127

第8章濾波器128

8.1濾波器的性能指標128

8.2濾波器的傳遞函數129

8.2.1巴特沃斯濾波器129

8.2.2切比雪夫濾波器131

8.3關于濾波器系數表133

8.4有源低通濾波器設計134

8.4.1一階低通濾波器134

8.4.2二階低通濾波器135

8.4.3高階低通濾波器136

8.5有源高通濾波器設計137

8.6有源帶通和帶阻濾波器設計138

8.7開關電容濾波器138

8.7.1基本原理139

8.7.2開關電容濾波器舉例140

8.7.3實際的開關電容電路141

8.7.4非重疊兩相時鐘發生電路142

8.8開關電容電路142

8.8.1開關電容放大器143

8.8.2放大器的精度143

8.8.3放大器的速度144

8.8.4開關電容電路小結145

8.9小結145

練習題145

第9章振蕩器147

9.1基本原理147

9.1.1振蕩的條件147

9.1.2相移與頻率穩定性148

9.1.3振蕩器的增益149

9.1.4運放對振蕩器的影響149

9.2橋式振蕩器150

9.3相移振蕩器151

9.3.1單級相移振蕩器152

9.3.2多級相移振蕩器152

9.4高頻振蕩器153

9.4.1考畢茲振蕩器153

9.4.2晶體振蕩器154

練習題155

第10章電流鏡156

10.1MOS兩管電流鏡156

10.2局部反饋電流鏡158

10.3cascode電流鏡159

10.4Wilson電流鏡161

10.5有源負載放大器163

10.5.1雙極有源負載放大器163

10.5.2MOS有源負載放大器166

10.6小結168

練習題169

第11章基準源170

11.1MOS Widlar小電流基準源170

11.2電流源的電源敏感度172

11.2.1利用基射壓降的基準電流源172

11.2.2利用閾值電壓的基準電流源173

11.3CMOS自偏置電流源174

11.4電流源的溫度敏感度176

11.5帶隙基準電壓源177

11.5.1基本原理177

11.5.2雙極帶隙基準源電路180

11.5.3CMOS帶隙基準源電路181

11.6小結183

練習題184

第12章CMOS集成運算放大器185

12.1MOS差分級185

12.1.1電阻負載MOS差分級185

12.1.2電流鏡負載CMOS差分級187

12.2CMOS運算放大器189

12.2.1低頻電壓增益189

12.2.2共模輸入電壓范圍190

12.2.3共模抑制比191

12.2.4輸入失調電壓192

12.2.5輸入級的PMOS與NMOS194

12.2.6過驅電壓與溝道長度194

12.3CMOS cascode運算放大器195

12.3.1基本cascode運放電路195

12.3.2cascode結構的小信號參數196

12.4CMOS望遠鏡式cascode運算放大器198

12.5寬擺幅cascode電流鏡199

12.6CMOS折疊式cascode運算放大器201

12.7CMOS cascode結構的頻率特性202

12.8小結204

練習題204

第13章全差分運算放大器206

13.1全差分運放與單邊輸出運放206

13.2全差分運放的優點207

13.3全差分運放的使用208

13.3.1單邊信號向差分信號的轉換208

13.3.2輸入共模控制端的連接210

13.4小信號模型210

13.5共模反饋原理212

13.5.1簡單全差分運放212

13.5.2共模反饋的實現214

13.5.3輸入共模信號與共模控制信號215

13.5.4差分輸入信號與共模反饋回路216

13.5.5共模反饋回路的帶寬217

13.6共模反饋網絡217

13.7實際的全差分運放電路219

13.7.1望遠鏡式cascode全差分運放220

13.7.2折疊式cascode全差分運放221

13.8小結221

練習題222

部分練習題答案223

參考文獻226

索引228

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模擬電路原理與設計 節選

今天的模擬電路在小尺寸和低功耗方面取得了很大進展。四五十年前，當數字電路取得快速進展時，許多人曾預測模擬電路將很快被數字電路淘汰。誠然，有些模擬電路已被數字電路所取代，比如音視頻電路。但隨著數字技術的發展，人們對高性能模擬電路的需求有增無減。比如在對模擬信號做數字化處理時，高性能的A/D和D/A轉換器及其相關電路是不可或缺的。另外，當數字電路的集成度和速度變得越來越高時，與外部世界相連的模擬接口電路，往往成為整個芯片設計的關鍵。 許多人把模擬電路設計看作是一種“藝術”。因為相對而言，數字電路的設計是系統化的，有一整套固定的設計方法，而模擬電路的分析和設計顯得有點模糊，全靠自己的想象。本書意在通過深入淺出的講解和恰當的例題，幫助讀者建立起模擬電路設計的整體理念。 在內容安排上，本書共分三部分。 **部分包括第1章至第7章，介紹模擬電路*基本的內容。其中，第1章說明電路設計中必需的理論和分析工具，包括傳遞函數、頻率特性、伯德圖和時域響應等。第2章主要討論作為晶體管基礎的半導體二極管，然后簡要介紹雙極型晶體管。第3章詳細介紹MOS晶體管，說明其傳遞特性和小信號模型，并在此基礎上詳細分析了3種基本MOS放大器的低頻和高頻特性。第4章討論理想運算放大器的性質和許多用理想運放搭建的實用電路，并說明兩種運放電路的設計。第5章說明運放的主要參數，討論這些參數對閉環特性的影響，然后詳細討論了擺速、帶寬和失調電壓3個重要參數。第6章討論4種反饋結構，說明反饋系統的參數計算，并導出奈奎斯特穩定性判據。第7章討論主極點補償、幅值補償和超前補償三種常用的補償技術，以此說明補償技術的基本思路。 第二部分包括第8章和第9章，介紹模擬電路中常用的濾波器和振蕩器。其中，第8章討論巴特沃斯和切比雪夫兩種傳遞函數，并詳細說明低通和高通濾波器的設計方法。第9章介紹兩種常用的橋式和相移低頻振蕩器，以及考畢茲和石英晶體兩種高頻振蕩器，并討論開關電容濾波器的精度、速度和設計要點。 第三部分包括第10章至第13章，詳細介紹模擬電路中*主要的單元電路：運算放大器。其中，第10章介紹運算放大器中必需的電流鏡電路，從*基本的兩管電流鏡到具有高輸出電阻的共柵共源電流鏡和Wilson電流鏡，并詳細討論以電流鏡為負載的雙極和MOS放大器。第11章介紹基準電流源和電壓源，并討論電源敏感度和相對溫度系數兩個參數，*后介紹模擬集成電路中用得*多的帶隙電壓基準源，說明雙極和MOS帶隙基準源的設計和計算方法。第12章以常用的兩級MOS集成運放為例，詳細說明集成運算放大器的結構、特性和參數計算，介紹共柵共源結構的小信號參數和輸出寬擺幅電路，以及望遠鏡式和折疊式兩種常用的集成運放，然后比較三種運算放大器的主要特性。第13章介紹全差分運算放大器，說明它的電路結構和參數計算，并詳細討論全差分運放中使用的共模反饋網絡的結構和參數計算；*后介紹望遠鏡式和折疊式兩種常用的全差分集成運放。 本書雖然包含了雙極型和MOS晶體管的內容，但把重點放在MOS晶體管上。書中還穿插了一些基本概念和設計思路的解釋，希望能從一個側面幫助讀者理解模擬電路。總體來說，模擬電路設計是一項充滿挑戰的工作。希望本書對從事模擬和通信類工作的工程師、大學教師和研究人員有所幫助，這也是本書編寫的目的所在。*后要感謝北京微電子技術研究所的馬明朗、張永學和王宗民研究員對全書進行了認真審閱，提出了許多寶貴的修改意見。 作 者 于北京

模擬電路原理與設計 作者簡介

張寧波，博士，北京郵電大學副教授，碩士生導師，目前從事模擬電路、數字系統設計、數字信號處理、人工智能物聯網等方面的研究和教學工作，發表SCI、EI論文50多篇，獲得授權發明專利10余項。

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