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信号 德州仪器 (TI)
目录
序
I. 运算放大器电压：范围问题
1.运算放大器电压范围：输入和输出，
解决一些困惑问题
2.轨至轨输入：您应该知道的事实
3.摆动到接近于接地：单电源应用
II.失调电压
4.失调电压和开环增益：它们是表亲
5.失调电压的 SPICE 仿真：如何检查电路对失调电压
的敏感度
6.修整引脚在哪里？有关失调电压修整引脚的一些背景
III.输入偏置电流
7.“我需要高输入阻抗！”输入阻抗与输入偏置电流
8.CMOS 和 JFET 放大器的输入偏置电流
9.温度对输入偏置电流的影响，以及一个随机测验
10.输入偏置电流消除电阻器：您是否确实需要它们？
11.双极运算放大器的内部输入偏置电流消除
IV.稳定性和振荡
12.运算放大器为什么振荡：
两种常见原因的直观分析”
13.“驯服”振荡的运算放大器
14.“驯服”振荡：容性负载问题
15.运算放大器稳定性的 SPICE 仿真
16.输入电容：共模？差模？咦？
17.运算放大器：G = 1 稳定和解补偿
18.反相衰减器 G = –0.1：它是否不稳定？
V. 动态响应
19.仿真增益带宽：通用运算放大器模型
20.转换速率：运算放大器速度限制
21.建立时间：建立波形特性分析
VI.噪声
22.电阻器噪声：基础知识回顾以及一个有趣的测验
23.运算放大器噪声：前向放大器
24.运算放大器噪声：反馈电阻又如何？
25.1/f 噪声：闪烁的烛光
26.斩波运算放大器：它们是否非常嘈杂？
VII.其他运算放大器问题
27.旁路电容器：是的，需要它们，但为什么呢？
28.未使用的运算放大器：如何处置？
29.保护输入免受 EOS 过压的影响
30.差分输入钳位：它们是否会影响您的运算放大器电
路？
31.把运算放大器当比较器使用：可以吗？
VIII.更多内容
32.更多内容和链接
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信号 德州仪器 (TI)
序
学习模拟似乎是一项艰巨的任务。模拟工程师通常无法自始至终都
直线前进：他们沿着荆棘丛生的道路曲折前行。他们零星地获取一
些见解 – 从这儿获取一点，从那儿获取一点。慢慢地，零星的知
识形成一个完整的体系，模糊的概念变得清晰起来。
我们永远都无法享受到跨过最后一道障碍或将最后一块拼图拼好的
满足感；这是不可能实现的。比我聪明得多的同事都无法回答我的
全部问题… 我也无法回答您的全部问题。
因此，这一简短模拟课程的集合也不可能面面俱到。尽管如此，我
想您会发现它是有所帮助的。它可能会填补您的知识空缺或激发您
的思考。
本书中涵盖的每个主题起初都作为文章发布在我的博客“The
Signal”上，您仍可以在 TI 的 E2E™ 社区上进行访问。您将发现
这些课程简明扼要、实用且直观、篇幅适中而容易理解。我需要它
是这个样子的，因为我是个简单的人，缺乏耐心。
我的大多数博客文章都包含一些问题和对话。我在每个主题的结尾
包含了一些链接，它们指向原始文章（当发布了评论时）。我想您
将在那里找到一些有价值的课程。此外，该汇编并未涵盖我的所有
博客。我在结尾处包含了指向其他主题的链接。
如果您有任何关于我在这里讲到的主题的问题，或者任何其他相关
的精密放大器问题，我希望您将其提交到 TI E2E 社区上的精密放
大器论坛。
为了便于参考，我使用 TI 的 TINA-TI™ 免费软件工具创建了该电
子书中的大部分图像，可以从 TI 的网站下载该工具。
Bruce Trump
少年时期便已成为一名实验员和业余的无线电操作员，开始涉足电气工程领域。他从不怀疑这是他的职业
道路。
在从爱荷华州立大学获得学士学位之后，
他便前往俄亥俄州开始他的第一份工作，在那里他就早期激光存
储器系统和其他模拟系统组件展开工作。
他的下一站是密歇根州的 Heath Co.，该公司设计 Heathkit。他在那里处理了各种项目，包括电子钟、扩音器、金属探测器、
导航计算器和高功率立体声放大器。
但处于中坚地位的模拟工作一直在召唤他。Burr-Brown，当时一家领先的模拟集成电路提供商，在亚利桑那州的图森市为
Bruce 提供了机会，他可以与真正的模拟专家呆在一起并向他们学习。
德州仪器 (TI) 在 2000 年收购了 Burr-Brown，这掀开了 Bruce 的模拟职业新篇章，这包括在产品开发、产品定义、应用工
程、技术文献、产品促销和业务管理方面的职位。
当 Bruce 回顾他的职业经历时，他通常会说，他最喜欢的活动始终是处理客户应用问题。
“我似乎始终
都会将这融入到我当前担任的职位中来。我尤其喜欢开办客户研讨会以及制作数据表。如何清楚地说明精密模拟
组件的内部工作和应用是个挑战，”他说。
关于作者
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第 I 章：运算放大器的电压范围问题
1.运算放大器电压范围：输入和输出，
解决一些困惑问题
系统设计人员通常会遇到有关运算放大器电源输入和输出电压范
围能力的问题。它可能让人感到疑惑，那么我在这里尝试解决这
个问题。
首先，常见运算放大器没有接地端子。标准运算放大器不“知道”
接地的位置，因此它也就无从知道其工作电源是一个双电源 (±)
还是一个单电源。只要电源输入和输出电压在其工作范围以内，就
不会出问题。
下面是需要考虑的关于电压范围的三个关键问题：
1.总电源电压范围。这是两个电源端子之间的总电压。例
如，±15V 意味着总电压范围为 30V。再如，某个运算放大器
的工作电压范围可能为 6V 到 36V。在低电压极端条件下，它
可能为 ±3V 或者 +6V。在高压极端条件下，它可能为 ±18V
或者 +36V，甚至是 -6V/+30V。没错，如果您留心阅读下面的
第 2 点和第 3 点，会发现使用非平衡电源也是可以的。
2.输入共模电压范围（C-M 范围）一般是相对于正负电源电压而
言的，如
图 1 中所示。使用类似于方程的方法表示时，假定
的运算放大器的 C-M 范围可以描述为负轨以上 2V 到正轨以
下 2.5V。可表示为：(V-)+2V 到 (V+)–2.5V。
3.同样，输出电压范围（或输出摆幅能力）也是相对于轨电压指
定的。这时，它可以表示为 (V-)+1V 到 (V+)–1.5V。
图 1
、2 和 3 显示了 G = 1 缓冲器配置。重点是：图 1 中示例
的输出能力被限定为与负轨相差 2V、与正轨相差 2.5V，原因是输
入 C-M 范围受限。您可能需要以高增益来配置该运算放大器，以
实现其最大的输出电压范围。
图 1 中的示例对双电源上通常使用的运算放大器而言是很典型
的。我们不把它称作“单电源”，但是它可以通过保持在这些范围
之内作为单电源工作。
图 2 显示了一种所谓的单电源运算放大器。它拥有一个 C-M 范
围，该范围可以扩展至负轨，但通常会稍低于负轨。该范围允许它
用于以接近于接地的电压运行，以实现更宽输入范围的电路。因
此，不被称为“单电源”的运算放大器实际上可用于某些单电源电
路中，但真正的单电源型运算放大器用途更为广泛。
在 G = 1 缓冲器电路中，该运算放大器可生成距离 V– 轨
0.5V（由输出能力限制）和距离 V+ 轨 2.2V（由输入 C-M 范围限
制）的输出摆幅。
图 3 显示了一个“轨至轨”运算放大器。它工作时，输入电压可
以等于甚至略微大于两个电源电压轨，如
图 3 中所示。轨至轨输
出意味着，输出电压可以摆动到非常接近于轨，通常在距离电源轨
10mV 到 100mV 的范围内。一些运算放大器声称只有轨至轨输出，
缺少
图 3 中所示的输入特性。轨至轨运算放大器用于单 5V 电源
及更低的电源的情况非常普遍，因为它们可在其有限的电源电压范
围内最大限度地提高信号电压输出能力。
轨至轨运算放大器非常具有吸引力，因为它们放宽了信号电压限
制，但是，它们并非总是最佳选择。和我们生活中的其他选择一
样，它与其他性能参数之间存在折衷关系。但是，这同时就是你作
为一名模拟设计人员的价值所在。我们的生活充满了各种复杂的问
题和折衷，但我们仍然热爱它！
要查看原始文章及其评论，请单击此处。
图 1：双电源 (±) 上使用的典型运算放大器的输入和输出电压范围。
图 2：典型的单电源运算放大器的输入和输出电压范围。
图 3：典型的轨至轨运算放大器的输入和输出电压范围。
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2.轨至轨输入：您应该知道的事实！
轨至轨运算放大器非常受欢迎，对于低电源电压尤其有用。您应该
知道如何完成轨至轨输入，并且了解一些折衷。
图 4 显示了一个典型的双输入轨至轨级，其中包含 N 通道和 P
通道晶体管对。P 通道场效应晶体管 (FET) 通过共模电压范围的
较低部分来处理信号，以稍低于负轨（或单电源接地）。
N 通道 FET 以接近或稍高于正电源轨的共模电压运行。附加电路
（未显示）决定输出，决定下一级将处理哪个输入级信号。大多
数 TI 双输入级运算放大器被设计为在距离正轨大约 1.3V 时发生
转换。在该电压之上，没有高到足以满足 P 通道级要求的栅极电
压，因此信号路径会被重定向至 N 通道级。
图 5：轨至轨输入级，具有对为单个 P 通道 FET 供电的电压进行提升的内部电荷泵。
P 和 N 输入级将具有稍微不同的失调电压。如果共模电压在该转
换期间发生变动（就像轨至轨 G = 1 运行时那样），它会导致失
调电压变化。某些运算放大器通过激光或电子调节进行了出厂修
整，以降低输入级失调电压。该修整可降低在转换期间的变化，但
变化仍然存在。用于控制从 P 输入级到 N 输入级转换的电路以正
电源为基准，而不是以地为基准。在 3.3V 电源上，转换会移至一
个尴尬的点 – 中位电压。
该失调电压变化在大多数应用中都被忽略了，但如果您要求高精
度，那么该变化会成为一个问题。它还可能导致在交流电 (AC) 应
用中产生失真。但再强调一次，仅当共模输入电压跨越级间的转换
时才会发生失真。
图 5 显示了第二种类型的轨至轨输入级。内部电荷泵会对为单个
P 通道输入级供电的电压进行提升，使其高于正电源轨大约 2V。
借助该电压提升，单输入级可以在完整的轨至轨输入电压范围（低
于底轨到高于顶轨）内无缝执行，不存在转换干扰。
图 4：一个典型的使用 N 通道和 P 通道晶体管对的轨至轨双管输入级。
