作者：夏路易
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
基于EDA的电子技术课程设计试读：
前言
单片机技术、电子技术与对象技术是现代智能技术的基础。通常，人们将利用这三种技术设计的电子系统称为嵌入式系统。
单片机技术、电子技术与对象技术是嵌入式技术的三大支柱。单片机是用引脚控制对象的，而电子元件是单片机引脚与对象之间的连接桥梁。
在教学中，单片机、电子技术、对象技术的教材与教学是分开的，其缺点是不能满足嵌入式系统设计的需求。因此，将单片机、电子技术与对象技术融会贯通是教学改革的发展方向。
电子技术课程设计是电子技术教学中的重要环节，它可以给学生提供一个综合运用所学电子技术知识的机会，为掌握基本的模拟电路与数字电路的设计技术打好基础。
本书的前半部分为模拟电子技术课程设计部分，设计内容以运放电路为主，对象为传感器，结合传感器与放大器技术，完成嵌入式系统中的模拟前端电路设计。该部分内容包括运放参数与单电源运放、仪表放大器与有源滤波器、传感器基础、传感器信号调理参考电路、Multisim软件的使用与仿真实例、模拟电路实验板设计基础等。将内容集中在传感器与传感器放大电路，是因为这些电路是嵌入式系统中检测实际物理量所必需的。
本书的后半部分是数字电子技术课程设计部分，设计内容以可编程逻辑器件、硬件描述语言为主，对象为各种简单控制对象，用状态机实现对象控制算法。该部分内容包括可编程逻辑器件、VHDL 硬件描述语言、Verilog HDL语言、有限状态机基础、通过例题学习Max+PlusⅡ软件、可编程逻辑器件实验电路参考、用Protel99se软件画电路板图等。
本书附录给出了若干模拟电路与数字电路课程设计题目。完成这些题目不仅可以学习实际的设计过程，更主要的是通过课程设计学会阅读电子元件数据手册，读懂已有的电路图，看懂他人所写的硬件描述语言程序。
本书讲述的电子技术课程内容为嵌入式系统设计所必需的，是智能电子产品开发的基础。例如，在一个智能控制器中需要检测力、温度等物理量，这就需要运放放大弱信号。如果需要实现单片机与存储器、AD转换等外围电路的快速接口，就需要采用可编程逻辑器件实现接口电路。
本书具有如下特点：（1）内容集中在实际中所迫切需要的传感器信号放大技术与基于可编程逻辑器件的数字系统设计上。（2）模拟电子技术课程设计部分的内容不仅介绍了目前实际中需要的单电源运放、仪表放大器，还介绍了相关的传感器。（3）数字电子技术课程设计部分不仅介绍了基本数字系统设计的可编程逻辑器件与硬件描述语言，还重点介绍了状态机设计。（4）模拟电路设计仿真采用Multisim软件，数字系统设计仿真采用Max+PlusⅡ软件或QuartusⅡ软件。这些软件在各学校中使用广泛，很多教师都已经掌握了这些软件的使用。（5）模拟电子技术课程设计与数字电子技术课程设计题目，可基本满足一个教学班每人一题的要求。（6）介绍了如何使用Protel99se软件设计模拟与数字电路板。
本书适合作为电子技术课程设计的教材，具体教学安排如下：
对于1周学时的模拟或数字课程设计，需要12小时的授课、12小时的设计、16小时的仿真与实际实验。
对于1周以上的模拟与数字课程设计，可以适当增加讲课内容与实际实验内容。
本书可作为高等院校电子技术课程设计的教材，也可以作为高职、高专院校的电子技术课程设计教学用书，还可以是电子技术工程师的参考书与电子技术爱好者学习模拟与数字电路的自学用书。
参加本书编写工作的有太原理工大学田建艳（第2章、第3章、第11章）、韩晓明（第4章）、谢珺（第13章），太原大学李莉（第6章），太原科技大学电子信息工程学院何秋生（第9章）、太原电力高等专科学校宋强（第10章），其余章节与附录由夏路易编写。全书由夏路易统稿。
为了便于读者学习和使用实际的Multisim软件，对本书某些电路图中不符合国家标准的图形及符号等未做改动（例如，出于软件原因，μF为uF）。
本书在编写过程中，参阅了许多专家的教材、著作、论文以及微芯（Microchip）、得州仪器（Texas Instrument）、ADI（Analog Devices）等公司网站提供的资料，在此表示感谢。
由于作者能力有限，书中难免有错漏之处，敬请同行、师生和读者批评指正，在此表示感谢。
夏路易第1章 模拟电子技术课程设计概论
在嵌入式系统中，电子技术是广泛服务于单片机与被控制对象之间的技术，因此电子技术是电类专业的专业基础课，只有通过该课程的学习，才能具有设计模拟、数字电路的能力。要想学好这门课程，除了学习该课程的基础内容外，还应该知道如何实际使用电子元器件设计电子产品。只有掌握理论和实践两方面的知识，才能成为一个电子系统的设计工程师。
在模拟电子技术课程中，分章节介绍了元器件、基本放大器、频率特性、功率放大器、运算放大器、反馈放大器、信号源和直流电源。虽然内容很广，但都是以分析为主，尤其以手工分析为主。通过分析，使读者明白各类电路的工作原理，这是使用元器件与电路设计的基础。
会分析已有的电路是很重要的，但设计出可用的实际电路更重要，因为只有设计出电路，才能使分析电路、设计电路的能力转换成劳动成果。
模拟电路设计过程可以使设计人员具有如下能力：（1）看懂电路图。（2）看懂元器件数据表。（3）选择合理的电路结构，估算电路参数。（4）使用仿真软件分析、验证所设计电路的正确性。（5）设计电路板，调试电路板。1.1 模拟电路分析方法
1.分析方法的进步
模拟电路课程教科书中对模拟电路的分析是以手工计算为主，但是在实际设计中，却是以计算机软件支持下的分析方法为主。现在有大量的计算机模拟电路分析软件，这些软件具有多种分析方法，可以快速计算出各种电路参数，并能够仿真实际的模拟电路运行，这是分析方法的一个进步。Multisim软件是非常优秀的电路分析软件，该软件有很多分析功能，利用这些功能可以对电路进行各种分析。
虽然计算机软件支持下的电路分析方法非常先进，但是要正确使用这些分析方法，还需要掌握大量的模拟电路基础知识。这些知识来源于教科书，对这些知识的掌握有助于计算机分析方法的使用。
掌握计算机软件分析方法很重要，不需要纸和笔，而且节省时间，在计算机屏幕上，就可以将模拟电路功能了解清楚。要想作为一个模拟电路设计者，必须学会计算机软件分析方法，才能在未做出实际电路之前，通过分析知道被设计电路的参数和性能，使设计简单、快速和准确。
现在，能够分析电路的软件有很多，除了Multisim软件之外，还有Pspice、Tina Pro等很多软件。这些软件都能够分析和仿真模拟电路。
学会电路分析软件的使用并不难，难的是正确分析模拟电路，使计算机给出正确的分析结果；而能够理解这些分析结果是更难的一件事，只有正确地理解分析结果，分析才会有意义。
使用计算机软件分析模拟电路可以达到事半功倍的效果。对于难以理解的电路，可以通过分析得以理解；对于设计完成的电路，可以通过分析来验证电路参数和技术指标的准确性。掌握了计算机软件分析电路的方法，就掌握了模拟电路分析、设计的主动权。1.2 模拟电路设计介绍
1.模拟电路设计步骤
模拟电路设计，给人的印象是无方法可循，因为电路种类太多了，电阻、电容、晶体管、运放等元器件只要适当组合，就（像七巧板可以组成各种图案一样）可以组合成各种功能的电路，但是很少有教科书介绍为什么要这样或那样组合，只是介绍组合后的电路中的元件参数和技术指标。
将元器件组合成电路，就是设计电路，设计电路是分析电路的逆过程，分析的结果可能是一个，但是设计电路的结果可能是多个，这是设计电路的特点。
其实，只要把元器件组成电路，而电路功能满足要求，就是设计。设计模拟电路步骤如下。
1）选择电路结构与参数
各种各样的电路结构很多，为什么选择这样的结构，这是设计者首先遇到的问题。一般来说，参考别人的选择或按照别人的资料进行选择都是常见的方法。可以通过教科书、互联网查阅大量资料，或拆开现有的产品，获取为什么要用这样电路结构的信息。这样做的好处是，只要找到资料，就能为自己的设计提供数据，可以加快设计进程。对于集成运放加外围元器件的现代电路构成方法，最好是以运放厂商的网站获得与运放有关的资料、外围元器件搭配原理图，这也是找到合适电路结构的捷径。
经常遇到的情况是，所参考的电路不能全部满足所设计电路的功能，需要修改结构与参数，直到满足需求。实际上，选择、计算获得的电路参数都是初步参数，只有通过实验才能得到最后的参数。
总之，电路结构的选择没有一定的规律，需要有分析电路的基础、经验及资料。
2）在计算机软件支持下的模拟电路设计
计算机软件分析电路的能力很强，可以在电路结构和元件参数选择过程中验证电路结构和元件参数的正确性。可以说，被设计电路的计算机软件分析与仿真是设计电路中的一个重要环节，只要有可能，就应该对电路各个部分进行验证。虽然验证正确的电路未必能够实际实现，但验证结果不正确的电路一般都无法实现。
3）设计、调试实验电路板
该步骤是重要的一步。选择好电路参数后，应该用电路板画图软件（如Protel99se）画出电路原理图，然后画成电路板后，送交电路板制作公司做出电路板，最后安装元件，进行样板实验，直到电路功能实现后，才能最终确定电路结构与参数。如果电路很简单，也可以用焊盘板或面包板进行实验。
2.模拟电路课程的设计内容
在数字信号处理能力越来越强的今天，模拟电路的应用范围越来越小，以致在很多电子技术课程设计教材中，模拟电路设计的内容很少。实际上，在传感器调理电路中，一直都采用运放电路实现信号放大与变换。随着模数转换器（ADC）位数的增加，对运放电路的设计要求也越来越高。采用与传感器相关的运放电路设计作为模拟电子技术课程设计的主要内容，应该是一个很好的选择。在很多工业控制、汽车、家用电器等智能产品中，都需要传感器，因此需要对传感器放大电路（又称为传感器信号调理电路）进行设计。
模拟电子技术课程设计，应该实际设计一个传感器放大电路，并且实现该电路，完成一个模拟电路的设计全过程。在设计过程中，学习运放芯片的选择、电路参数的选择、EDA软件的使用、电路板设计、电路调试等内容，为随后的电子产品模拟电路部分设计打好基础。
应该学会从世界各运放产品生产公司寻找参数合适的运放芯片，并能看懂相关的资料。
应该学会搜索各种运放电路，看懂这些电路，通过修改其结构与参数，为己所用。
应该学会用Multisim等软件仿真所设计的电路，分析所设计电路的结构与参数的合理性。
应该学会用电路板画图软件Protel99se设计模拟电路电路板，并知道如何进行抗干扰设计。
应该学会实际电路焊接、调试与测量技术。
3.模拟电路课程设计是重要的教学环节
模拟电路课程设计是电类专业的一个重要教学环节，通过该教学环节，可以了解模拟电路的设计过程，具有初步设计能力，为电子产品的研发和成为电子技术设计工程师打好基础。电子技术课程设计的特点是，综合运用在模拟电子技术课程中学到的知识，设计模拟电路，虽然已经学过所设计电路的分析方法，但分析毕竟与设计不同，电子技术课程设计就是学习设计方法，而这些方法在产品设计中将得到应用。1.3 ADC前端电路简介
ADC前端电路的主要功能是调理传感器信号，将弱信号放大到ADC能够接收的输入范围。ADC前端电路示意图如图1-1所示。图1-1 ADC前端电路示意图
下面分别介绍图中各环节的功能与特性。
1.传感器
传感器由敏感元件与相关电路组成，用于检测非电物理量，并将非电物理量转换为电量信号输入到运放电路。
2.传感器激励电路
传感器激励电路用于向传感器提供电源，例如，传感器电路是电桥，则向电桥提供稳定的电压源或电流源；而对于热敏电阻传感器，则需要稳定电流源使电阻转换成电压。
3.信号调理电路
信号调理电路的功能为弱信号放大与电平移位，目的是使放大器正常工作，使信号满足ADC输入的需求。
信号调理电路的输入需要保护，以避免静电（ESD）、过电压和过电流，特别是在长线传感器的情况下，更需要静电（ESD）、过电压和过电流保护。
4.有源滤波器
滤波电路可以改善信号质量，以满足ADC精度的需求。在大部分情况下，使用无源RC滤波器就足够了，但在某些情况下，需要有源滤波电路消除ADC采样时出现的混叠频率噪声，使ADC转换出的数值更准确。
滤波器设计需要使用滤波器设计软件，Microchip公司提供免费的滤波器设计软件FilterLAB。除了模拟信号滤波外，还需要在单片机中实现数字滤波，以滤掉ADC转换过程中出现的噪声。
5.ADC（模数转换器）
ADC将模拟信号转换成数字信号，然后送到单片机中进行数据处理。
ADC的输入为信号调理电路的输出，也就是传感器检测的物理信号。
ADC将模拟量转换为数字量的位数，称为ADC的位数。
在参考电压的支持下，模拟量转换为数字量输出，ADC的分辨率与ADC的位数有关。例如，对于参考电压为 5V，10 位 ADC 的分辨10率（每个数字代表的电压值）为5V/（2-1）=4.887mV，而12位12ADC的分辨率为5V/（2-1）=1.221mV。
ADC的误差，就是ADC输出的数字与输入模拟信号值之差，通常有微分误差、积分误差、非线性误差、偏移误差等。
ADC工作需要稳定的参考电源V，对于10位ADC，其参考电REF源、输出数字量D与输入模拟量V之间的关系为：i
通常，要求参考电压V很稳定，不随温度变化。例如，压力REF传感器测量力的范围为200kg，传感器输出信号为0～20mV，信号调理电路的放大倍数为250倍，ADC输入信号范围为0～5V，采用10位ADC，则有如表1-1所示的标度变换表。表1-1 标度变换表
可以得到每个数字代表0.1955kg（0.1955kg/bit）或5.1bit/kg。
如果传感器、信号调理放大器与ADC的增益都很稳定，则转换就很准确。但是，通常增益是温度的函数，因此增益误差可以引起转换误差，ADC的增益与参考电压V有关，ADC的参考电压不应随温REF度变化。
6.单片机
单片机是将CPU（微处理器）、RAM/Flash存储器、I/O接口和各种外围模块集成在一块芯片上的单片微型计算机，简称为单片机。在其他国家，又称单片机为微控制器（MCU）。单片机广泛应用在军事、工业、民用等各个领域，使当今社会进入智能化时代，每时每刻都有大量基于单片机的产品被设计出来，满足社会各方面的需求。单片机结构框图如图1-2所示。图1-2 单片机结构框图
单片机具有数学处理能力，因此在单片机中可以采用数字滤波算法消除ADC转换中生成的噪声，同时还可以采用计算多项式或查表的方法校正传感器的误差，修正传感器的非线性。
单片机可以实现很多功能，如传感器断线检测、超限报警、标度转换等。
传感器、单片机与通信接口集成在一起，就是智能传感器。
传感器、单片机与执行机构集成在一起，就是智能控制器。
单片机与种类繁多的控制对象一起，组成各种各样的嵌入式系统，改变着人们的生活，而电子技术就是联系单片机与控制对象之间的纽带。第2章 运放参数与单电源运放
本章介绍实际的运放参数与单电源运放，目的是使初学者能够读懂运放数据手册，并能正确使用运放，特别是使用单电源运放。2.1 运放直流参数介绍
在ADC前端电路中，传感器激励、信号放大、有源滤波等各个模拟量环节都与运放有关。
1.理想运放
在模拟电路教科书中，理想运放如图2-1所示。其中，V为反相IN-输入，V为同相输入，V为输出，电源V、V也常用V、IN+OUTDDSSCCV表示。EE图2-1 理想运放
理想运放具有如下特点。
1）输入部分（1）输入偏置电流I=0。B（2）输入阻抗Z=∞。IN（3）输入电压范围V没有限制。IN（4）没有输入噪声电压与电流。（5）输入失调电压V=0。OS（6）共模抑制比CMRR=∞。
2）电源部分（1）V与V永远满足需求。DDSS（2）电源电流I=0。SUPPLY（3）电源电压抑制比PSRR=∞。
3）放大部分（1）开环增益A=∞。OL（2）带宽BW=0～∞。（3）谐波变形THD=0。
4）输出部分（1）V=V～V。OUTSSDD（2）转换速率SR=∞。（3）输出阻抗Z=0。O（4）输出电流I满足负载需要。O
实际上，由于半导体器件的工作原理、材料、工艺等因素的影响，所以没有理想运放。要想了解真正的运放，应该理解运放参数。不同公司生产的运放都有参数说明，但是，这些参数说明都有区别，因此需要理解运放参数的意义，并综合参数测试条件，才能看明白运放参数，用好运放。下面介绍运放的直流参数。
2.输入失调电压VOS
输入失调电压是运放输入电路不对称引起的，即在输入电压VIN=V的情况下，还等效存在一个小的电压源，使输出偏移零点。通+IN-常，该参数以室温下的电压值表示，通常为μV或mV数量级。
输入失调电压随温度变化而变化，称为输入失调电压温漂，单位为μV/℃或mV/℃。
例如，对于CMOS运放，MCP601的输入失调电压为2mV，输入失调电压温漂为2.5μV/℃。
每一个运放的输入失调电压都不同，但是对于一个运放来说是一个固定值。在闭环放大倍数很小时，输入失调电压对放大器的影响不大，但是对于闭环放大倍数很大的放大器来说，将减小动态输出范围。
例如，对于如图2-2所示的同相放大器，其输出电压表达式为
V=（1+R/R）（V+V）OUTF1INOS
如果V为1mV，则V对于输出的影响为101mV，若是运放输OSOS出电压为4V，则V的影响为2.5%。OS
3.输入偏置电流IB
所有运放的输入端都吸收或流出电流，如图2-3所示。两个引脚输入电流中的相同（平均）部分称为输入偏置电流，为I=（IBB++I）/2，而不同部分称为输入失调电流：I=（II）。对于B-OSB+-B-CMOS或FET输入结构的运放，输入电流来自输入保护（ESD）电路，其输入电流I很小，一般在几皮安到几百皮安之间。双极性输入结构B的运放，输入偏置电流来自晶体管的基极，一般在几纳安到几百纳安之间。图2-2 同相放大器图2-3 运放的输入电流示意图
输入偏置电流通过输入端连接的外电阻起作用，例如，如果运放外引脚的电阻为100kΩ，输入偏置电流为100nA，则在外电阻上将有10mV的压降，该压降就像在输入端加一个误差电压源，误差电压源的电压被放大，引起输出误差。对于CMOS输入结构运放来说，若输入偏置电流为100pA，则100kΩ电阻上的压降只有10μV，在大部分情况下，可以忽略该压降。图2-4 有源滤波器电路
图2-4是一个有源滤波器电路，在电路中，运放的同相端连接阻值很大的电阻，当采用双极型输入结构的运放时，若偏置电流为100nA，按照图中参数，将在输出端引起102.7mV的误差，但当采用 CMOS 输入结构的运放时，若偏置电流为 100pA，则在运放输出端产生102.7μV的误差。
对于CMOS运放，输入失调电流与输入偏置电流的数量级相同。例如，对于TLV2472运放，偏置电流为100pA，失调电流也为100pA。但是，对于双极型运放，偏置电流与失调电流相差很大，例如对于LM358，其偏置电流最大为500nA，而失调电流最大为50nA。
输入失调电流也是随温度的变化而变化的，对于CMOS运放来说，一般可以忽略。对于双极型运放，一般为几皮安至几十皮安的数量级，与偏置电流相比很小。例如LM358，失调电流最大为50nA，失调电流温度系数为10pA/℃。
4.开环增益AOL
运放的开环增益是输出电压信号与输入信号之差的比值。理想情况下的开环增益是无穷大。但实际上，由于开环增益是有限值，所以输出电压的变化ΔV除以开环增益就是输入端的电压变化ΔV，如OUT下式所示：
A（dB）=20lg（ΔV/ΔV）OLOUT
输入电压变化ΔV可以用等效在运放输入端的电压源表示，这相当于一个输入端的误差源V。该误差源乘以闭环增益，就是OLERROR输出误差。当开环放大倍数为无穷大时，该输入电压源电压为0，相当于输出误差为0。
A（dB）的范围一般在95～120dB之间，与电压放大倍数OLA（V/V）之间的关系如下式：OL
一般情况下，每个运放的开环增益都不相同，差别可以达到30%。
增益非线性是指输入信号不同时，放大倍数不是常数的现象，例如AD623的最大增益非线性为10ppm。一般运放手册没有该项参数。
5.共模电压抑制比CMRR
共模电压抑制比CMRR是放大器对共模输入信号的抑制能力，由于该能力不是无穷大，所以引起误差CMRR。CMRR用下式表ERROR示：
CMRR（dB）=20lg（ΔV/ΔV）CM
ΔV是共模抑制等效的输入误差CMRR，ΔV表示共模输ERRORCM入电压的变化。
一般情况下，共模抑制比的范围为45～90dB。例如，运放共模抑制比为80dB，当输入3V的共模电压时，等效共模输入误差CMRR为0.3mV。ERROR
6.电源电压抑制比PSRR
电源电压抑制比PSRR表示运放对电源电压变化的灵敏度，典型的电源电压抑制比值为60～100dB，例如，MCP601的PSRR的典型值为88dB。
电源电压抑制比如下式：
PSRR（dB）=20lg（ΔV/ΔV）SUPPLY
ΔV是电源波动引起的输入电压误差，就是PSRR，ERRORV为V-V。SUPPLYDDSS
例如，一个用电池供电的运放电路，其闭环放大倍数为 101，该运放的电源电压抑制比为66dB，当电源电压从6.8V降到5.8V时，放大器的等效输入电压ΔV为0.5mV，引起输出电压变化为0.5mV×101=50.5mV。若参考电源为4.096V的10位ADC，则相当于12.6个最小有效数字（每个字为4mV）。
7.共模输入电压范围VCM
共模输入电压范围也是一个运放的重要参数。下面列出几个运放的共模输入电压范围。
AD623的共模输入电压范围为（-V）-0.15V～SS（+V）-1.5V。SS
LM358的共模输入电压范围为0～V-1.5V。CC
MCP601的共模输入电压范围为V-0.3V～V-1.2V。SSDD
TLV2472的共模输入电压范围为0～V。DD
其实，共模输入电压范围也就是输入电压。例如电压跟随器电路，电压在同相端输入，既是信号电压也是共模电压，还是输出电压，因此共模输入电压范围就是输出电压范围。
若放大器的闭环增益大于1，则运放的输入电压范围由输出电压范围确定。
在单电源使用时，AD623 的共模输入电压范围可以低于 0V，这在某些传感器信号放大中特别有用。例如在-200℃～+200℃范围内，J型热电偶输出电压为-7.890mV～+10.777mV，则可以使用AD623直接放大该热电偶的输出信号。
8.输出电压最大摆幅VOM
输出电压最大摆幅V与运放输出结构、电源电压、负载电流有OM关。一般的双极型输出结构如图2-5所示，可知输出电压最大摆幅的正值V=+V-V-V，V为串联电阻R1上的压降，V为晶体OM+DDR1satR1sat管的饱和压降。V、V与输出电流有关。R1sat图2-5 双极型输出结构
不同运放的输出电压V的摆幅是不同的，通常运放的输出摆OUT幅与正电源、负电源之间有1～2V的电位差，而满摆幅运放（rail-to-rail）的输出摆幅与正、负电源之间的电位差小于100mV。
运放的输出电压摆幅限制了输入信号范围。若需要增加摆幅，则应该增加电源电压，或在电源电压确定的情况下，选择满摆幅运放。
MCP601的V如下。OM
V+100mV～V-100mV，测试条件：R=25kΩ连接V/2，SSDDLDDA＞105dBOL
V+100mV～V-100mV，测试条件：R=5kΩ连接V/2，ASSDDLDDOL＞95dB
运放输出电压与正、负电源之间的电位差与输出电流有关，为获得明确的电压摆幅定义，应该仔细核对测试条件。
9.输入电阻
输入电阻是运放两个输入端之间的等效电阻，该电阻越大，表明对输入信号源的影响就越小。输入电阻分为差模输入电阻和共模输入电阻，通常它们的数值都很大。
例如，AD623的差模输入电阻和共模输入电阻都为2GΩ，因此实际上可以看成开路。
有些运放参数还给出引脚输入电容C，一般有几皮法，包括两个引脚之间的电容C、两个引脚对地的电容C和C。dpn
有时，运放给出输入阻抗参数，包括输入电阻与电容，例如 13MCP601 的差模输入阻抗Z=10Ω||3pF，共模输入阻抗DIFF13Z=10Ω||6pF。CM
10.输出电阻
运放的输出电阻总是比输入电阻小，因此可以起到隔离阻抗的作用，运放参数中一般不给出输出电阻参数。一般规律是闭环增益越大，则输出电阻越小。虽然没有输出电阻参数，但可以利用手册中给出的满摆幅输出电压中的负载条件确定运放的负载能力。
11.电源电压与电流
运放工作需要在V引脚与V引脚之间加电源电压，通常，运DDSS放数据手册上给出一个电源电压范围，例如AD620的电源电压为±2.3V～±18V。电源电流是在无负载情况下的运放电流。
12.温度范围
运放的温度参数一般是在某指定温度下的参数，如室温25℃。
运放的工作温度范围，是指运放可以基本保证性能且不损坏的温度。
13.直流误差总结
1）零点偏移误差（1）输入失调电压V。OS（2）输入偏置电流 I引起的误差 V，等于输入偏置电流×BIBerror运放输入引脚外的电阻。若两引脚外电阻相等，则I引起的误差为0，B但实际上，两电阻相等的情况几乎没有。（3）输入失调电流I引起的误差V，若是引脚外电阻阻OSIOSerror值相等，该误差等于输入失调电流×运放输入端外电阻阻值。
总误差V=V+V+V，该误差可以通过调零电路errorOSIBerrorIOSerror消除。
2）共模电压引起的误差VCMerror
V等于（共模输入电压×共模放大倍数）/（差模放大倍CMerror数）或等于（共模输入电压）/（共模抑制比）。该误差与共模输入信号有关。若共模输入信号为固定值，则该误差可以通过调零的方法消除。若共模信号就是输入信号，则不能通过调零的方法消除。
3）电源电压波动引起的误差VPSRR
V等于电源电压的变化量/电源电压抑制比PSRR。PSRR
该误差不能通过调零的方法消除，因此要求电源电压尽可能稳定。稳定电源电压的输出电压值不准确，虽也会引起输出电压的变化，但可用调零电位器消除该变化。
4）开环增益变化引起的输入误差
开环增益变化引起的输入误差可以影响闭环增益下的输出，但是可以用调节增益电阻值的方法消除。
5）温度变化引起的误差
温度变化引起的误差包括失调电压温漂和失调电流温漂，因为是随温度变化的，所以这两项误差不能通过调零的方法消除。因此应该选择小温度系数的运放。
6）增益非线性误差
增益非线性误差不能通过调零或调节增益电阻阻值的方法消除。2.2 运放交流参数介绍
1.频率特性
1）增益带宽积
增益带宽积G是开环增益与频率的乘积，对于电压反馈的放BWP大器来说，增益带宽积是常数。
2）相位容限PM（G=1V/V）
相位容限是单位1增益时的相位与180°之差，对于MCP601运放，其增益带宽积G为2.8MHz，相位容限为50°。BWP
3）转换速率SR（G=1V/V）
转换速率示意图如图2-6所示。可以看出，转换速率du/dt是输出电压对输入阶跃信号的响应，单位为V/μs。TLV2473的转换速率SR为1.4V/μs。图2-6 转换速率示意图
4）建立时间tset
如图2-7所示，信号在运放内部传播时需要时间，因此对于阶跃输入信号来说，输出不能立刻响应输入；另外，输出还有超调、阻尼振荡，最后达到稳定值，建立时间就是从输入阶跃信号开始到输出电压值稳定在输出电压终值的百分比误差之内的时间。图2-7 建立时间示意图
建立时间与输入信号的变化速度有关，例如，在用模拟开关切换输入信号时，就相当于阶跃信号加在运放输入端，运放的输出就应该在很短的建立时间内达到稳定，满足ADC转换的需求。
MCP601的建立时间（0.01%）：t=4.5μs（G=1V/V，阶跃set3.8V）。
AD620A的建立时间（0.01%）：t=15μs（G=1～100V/V，阶跃set10V）。
2.噪声
所有运放内部都有噪声，一般在运放的输出端测量噪声，然后等效为输入噪声。等效到输入端的噪声分为输入噪声电压（单位为）和输入噪声电流（单位为）。（1）输入噪声电压E。输入噪声电压是指定带宽内的噪声电压峰-峰值，通常频带为ni0.1～10Hz。例如，MCP601的输入噪声电压E为7μV。ni（2）在低频情况下，主要是1/f噪声，通常给出在1kHz或10kHz时的噪声输入电压与电流噪声参数，例如MCP601运放的1/f噪声如下。
输入噪声电压密度：。
输入噪声电流密度：。2.3 单电源运放的工作原理
1.单电源电压跟随器
单电源电压跟随器如图2-8所示。该电路输入电压V的范围受输IN出电压的范围限制。
电压跟随器常用于驱动重负载，解决阻抗匹配问题，或隔离精确放大电路与大功率电路。
如图2-8所示的电路为单电源跟随电路，与电源连接的旁路电容很重要，可以使运放工作稳定。若运放的工作频率为几兆赫，则可以选择电容值为 1μF。若工作频率更高，则可以将电容值减到0.1μF。
该电路在运放的全带宽内具有好的线性度。如果该电路驱动重负载，应该选择有输出电流参数的运放。例如，单电源运放TLV2472，给出了输出电流参数I=±22mA。对于能够驱动电容负载的运放，通O常数据手册给出驱动电容的参数，例如，INA126 运放的电容负载能力为1000pF。
如果模拟信号源有高内阻，或者是需要输出电阻小的场合，就应该使用电压跟随器电路。
2.有增益的单电源电路
1）单电源同相放大器
单电源同相放大器如图2-9所示。
该电路的输出电压为：
V=（1+R/R）VOUT21IN
由于是单电源、同相输入，所以共模输入电压的范围就是输入信号的范围。因为考虑到该电路具有放大能力，所以V应该小于输出IN电压上限/（1+R/R）。21
为减少输入偏置电流的影响，通常R＜10kΩ，R由放大倍数确21定。图2-8 单电源电压跟随器图2-9 单电源同相放大器
单电源同相放大器实例：图2-10是具有参考电源V的单电源REF同相放大电路。图2-10 具有参考电源的单电源同相放大器电路
由图2-10可知，有如下输出方程：。
式中，V是参考电压。REF
当V=0时，若V≤0，则由于没有负电源，所以V=0，呈饱REFINOUT和状态。
若V≥0，则V=V×（R/R），电路为单电源同相放大电INOUTIN21路。
若使V=5V，R=R=100kΩ，R=10kΩ，则有如图2-11所示的DD21L传输特性。
2）单电源反相放大器
单电源反相放大器电路如图2-12所示。
该电路的输出方程为：图2-11 单电源同相放大器的传输特性图2-12 单电源反相放大器电路
式中，V为参考电压。REF
使用电路时，应该注意单电源，例如，R=10kΩ，R=1kΩ，21V=0V，输入电压V=100mV，则输出电压应该为-1V，但是实际REFIN输出电压不是-1V，而是接近0V的一个正电压。
单电源运放电路的复杂性就是因为单电源运放工作时需要参考电压，而且由于输出管的饱和压降的影响，使一般运放的输入与输出之间的关系变得复杂。如果要简化分析，应该使用满摆幅运放。
反相电路正常使用时，只能放大小于0V的信号。若要放大大于0V的信号，则需要设置V。例如，若V=225mV，则可以使输REFREF出电压移位到225mV×（1+R/R）=225mV×11=2.475V，这时，输入21信号为100mV，则输出电压为2.475V-1V=1.475V，若使输出电压的中点为V/2，则可以放大正负对称的输入电压。DD
单电源反相放大电路实例：图2-13是具有参考电压的反相放大电路。
对于图2-13的电路具有如下输出方程。
如果使V=V，就是没有输入电压时，输出电压为0。REFIN
如果使V=0，则输出电压为：V>0，V=0；V<0，REFINOUTINV=V·（R/R）OUTIN21
就是说当V>0V时，输出饱和在地线电平附近。输入电压小于0IN时，电路呈现为反相放大器。
如果V=5V，V=0，且使R=R=100kΩ，R=10kΩ，则有如DDREF12L图2-14所示的传输特性。图2-13 具有参考电压的反相放大电路图2-14 V=0时的传输特性REF
如果使V=V，则输出电压为V=（V-V）·（R/REFDDOUTDDIN2R）。这时，因为V为负值，V超过V，所以输出电压V饱1INOUTDDOUT和在正电源轨道，当V为正值时，电路呈现为反相放大器。IN
如果使V=5V，V=V，R=R=100kΩ，R=10kΩ，则有如DDREFDD12L图2-15所示的传输特性。
从如图2-15所示的传输特性可以看出，运放LM358的输出电压范围受到了限制，大约为0～3.7V。像LM358这样普通运放单电源的缺点之一就是输出电压摆幅受到限制，导致大信号工作时产生失真。因为TLV247x运放是满摆幅运放，所以其输出接近满摆幅。因此，对于老式运放的使用，应该考虑输出摆幅的影响。图2-15 V=V时的反相放大器电路的传输特性REFDD
3）单电源差动放大器
单电源差动放大器电路如图2-16所示。图2-16 单电源差动放大器电路
该电路的输出电压表达式为：
若R=R，R=R，则输出电压为：F2G1
该电路放大输入信号之差，为保证计算的准确性，应该使信号源阻抗比R小很多，否则信号源阻抗高于R，则将引起信号损失，使11运算不准确。该电路的增益可以等于1或大于1。
若是断开电阻R1，则该电路输出电压为：
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