運算放大器參數解析與 LTspice 應用模擬

鄭薈民
副高級工程師，致公黨黨員，發表多篇論文，已獲授權3項發明專利，4項實用新型專利。
現任世健國際貿易公司ADI產品技術支持，累計支持過130餘家企業及創業團隊，與400多位技術人員次溝通過設計方案與電路故障，涉及600多個項目。

第1章運算放大器基礎1
1．1運算放大器概述1
1．2理想放大器1
1．3放大器的基本組成2
1．4放大器分類2
1．5放大器反饋方式3
1．5．1正反饋——施密特觸發器3
1．5．2負反饋——輸入端“虛短、虛斷”特性5
1．6電路分析基礎5
1．6．1基爾霍夫定律5
1．6．2疊加定律5
1．6．3戴維南定理6
1．7運算放大器基礎電路6
1．7．1反相放大電路6
1．7．2同相放大電路8
1．7．3求和電路9
1．7． 4積分電路10
1．7．5微分電路12
1．7．6差動放大電路13

第2章放大器參數解析15
2．1放大器數據手冊概述15
2．2失調電壓與漂移18
2．2．1失調電壓案例分析18
2．2．2失調電壓定義20
2．2．3失調電壓產生原因21
2．2．4失調電壓漂移定義23
2．2．5失調電壓測量與仿真25
2．2．6失調電壓處理方法25
2．2．7噪聲增益評估輸出失調電壓27
2．3偏置電流與失調電流28
2．3．1偏置電流與失調電流的定義28
2．3．2偏置電流案例分析29
2．3．3偏置電流產生的原因31
2．3 ．4偏置電流、失調電流的測量與仿真32
2．3．5偏置電流處理方法35
2．3．6放大器的總失調電壓35
2．4共模抑制比36
2．4．1共模抑制比定義及影響36
2．4．2共模抑制比案例分析37
2．4．3影響放大器共模抑制比的因素39
2．4．4電路共模抑制比與電阻誤差41
2．4． 5電路共模抑制比與信號源阻抗42
2．4．6共模抑制比測量方法43
2．4．7單位——分貝46
2．5電源抑制比46
2．5．1電源抑制比定義及特性47
2．5．2電源抑制比測量與仿真48
2．5．3提高電源抑制比方法50
2．6開環增益50
2．6．1開環增益與大信號電壓增益定義50
2．6 ．2開環增益仿真51
2．6．3開環增益與線性度52
2．7電壓噪聲與電流噪聲53
2．7．1統計學基礎53
2．7．2噪聲密度與帶寬55
2．7 ．3半導體噪聲類型與計算56
2．7．4放大電路總噪聲的評估與仿真57
2．7．5放大器噪聲評估案例61
2．8增益帶寬積62
2．8．1波特圖與極點、零點介紹63
2．8．2增益帶寬積與單位增益帶寬定義66
2．8．3增益帶寬積與閉環迴路帶寬分析67
2．8．4閉環迴路帶寬案例68
2．9相位裕度與增益裕度71
2．9．1相位裕度與增益裕度的定義71
2．9．2相位裕度與放大器穩定性原理分析72
2．9．3相位裕度與放大器穩定性仿真76
2．10壓擺率與滿功率帶寬79
2 ．10．1壓擺率與滿功率帶寬的定義79
2．10．2壓擺率限制原因和影響因素81
2．10．3壓擺率測試仿真82
2．10．4壓擺率與滿功率帶寬案例分析85
2．11建立時間86
2．11．1建立時間定義87
2．11．2建立時間仿真87
2．12輸入阻抗89
2．12．1放大器輸入阻抗模型89
2．12．2輸入電容對閉環迴路帶寬的影響與仿真91
2．13輸出阻抗93
2．13．1開環輸出阻抗與閉環輸出電阻區別93
2．13．2開環輸出阻抗計算94
2．14容性負載驅動96
2．14．1容性負載驅動定義96
2．14．2容性負載對穩定性的影響97
2．14．3容性負載驅動的補償方法與仿真98
2． 15輸入電壓範圍與輸出電壓範圍100
2．15．1輸入電壓範圍100
2．15．2高輸出電壓與低輸出電壓101
2．15．3軌到軌含義102
2．16總諧波失真與總諧波失真加噪聲103
2．16．1總諧波失真與總諧波失真加噪聲的定義103
2．16．2總諧波失真加噪聲影響因素104
2．17功耗105
2．17．1靜態電流與靜態功耗106
2．17．2短路電流、輸出電流與輸出級晶體管功耗107
2．18多路放大器的通道隔離度108
2．19芯片熱阻109
2．20絕對最大額定值109

第3章專用放大器111
3．1儀表放大器111
3．1．1儀表放大器的定義與特性111
3．1．2儀表放大器有效工作配置112
3．1．3儀表放大器失調電壓分析115
3．1． 4儀表放大器噪聲分析117
3．1．5儀表放大電路提高共模抑制比的方法118
3．2跨阻放大器120
3．2．1跨阻放大器穩定性分析120
3．2．2跨阻放大器的PCB設計123
3．3全差分放大器124
3．3．1全差分放大器特點124
3． 3．2全差分放大電路輸入端配置126
3．3．3全差分放大電路噪聲評估129
3．4電流檢測放大器130
3．4．1低邊測量方法131
3．4．2高邊測量方法131

第4章模擬電路系統設計133
4．1電源設計133
4．1．1線性電源參數分析133
4．1．2開關電源設計方法135
4．2傳感器類型簡介140
4．3放大電路誤差分析141
4 ．3．1單級放大電路總輸出誤差141
4．3．2多級放大電路直流誤差分析141
4．4濾波器設計144
4．4．1系統噪聲與濾波分析144
4．4．2 Sallen- Key濾波器理論分析145
4．4．3有源低通濾波器設計工具147
4．5 SAR型ADC驅動148
4．5．1 SAR型ADC模型與驅動原理149
4．5．2 SRA型ADC驅動輔助工具使用151
4．5．3 LTspice仿真SAR型ADC驅動152

第5章LTspice使用基礎154
5．1 LTspice概述154
5．2 LTspice界面介紹與控制面板155
5．2．1基礎界面155
5．2．2控制面板155
5．3 LTspice電路與符號設計161
5． 3．1電路圖繪製161
5．3．2層級電路設計163
5．3．3 SPICE新模型導入164
5．3．4通用放大器模型165
5．4激勵配置166
5．4．1直流信號與交流信號源166
5．4．2方波166
5．4．3正弦波167
5．4．4指數波167
5．4．5單頻調頻波168
5．4．6折線波169
5．4．7大數據量折線波169
5．5設置仿真指令170
5．5．1仿真指令編輯方式170
5．5．2 ．OPTIONS指令集170
5．5．3 ．STEP變量掃描172
5．5．4 ．PARAM自定義參數172
5．5．5 ．MEASURE測量指令174
5．5．6 ．FUNC自定義函數176
5．5．7 ．TEMP溫度掃描177
5．5．8 ．NODEALIAS節點短路177
5．5．9 ．FOUR瞬態分析後傅里葉計算178
5．5．10 ．GLOBAL聲明全局節點178
5．5．11 ．IC初始狀態設定178
5．5．12 ．NODESET直流分析初始設定178
5．5．13 ．NET交流分析中網絡參數計算178
5．5．14 ．SAVEBIAS工作點保存178
5．5．15 ．LOADBIAS加載以前求解的瞬態分析結果179
5．5．16 ．INCLUDE其他文件讀取179
5．5．17 ．LIB庫文件讀取179
5．5．18 ．Model模型定義179
5．5．19 ．SAVE保存指定數據179
5．6仿真分析180
5．6．1仿真類別180
5．6．2瞬態分析180
5．6．3交流分析181
5．6．4 DC SWEEP分析181
5．6．5噪聲分析182
5．6．6直流小信號分析182
5．6．7靜態工作點分析183
5．7波形觀測184
5．7．1波形顯示基本操作184
5．7．2波形曲線與顯示欄調整185
5．7．3波形曲線運算處理185
5．7．4功率計算186
5．7．5 FFT計算186

參考文獻187