书名：运算放大器从入门到精通
ISBN：978-7-115-65821-0
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著 单极点
责任编辑 张 涛
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近几年，随着国家对芯片产业的重视，国内越来越多的企业对包括芯片、新能源汽车、光伏、工业自动化等在内的领域所涉及的模拟电路、硬件电路工程师的需求越来越大。为了满足读者的学习需求，本书结合作者十余年的电路设计和开发经验，从运算放大器的发展史和基础知识讲起，逐步介绍运算放大器的关键指标、环路稳定性、典型电路，以及特殊功能放大器、基于运算放大器的模拟滤波器设计等知识。本书还讲解了运算放大器在当下一些热点领域的应用案例，包括新能源汽车、光伏、工业自动化等，从而让读者能够结合实际案例去理解模拟运算放大器的知识和技术。
本书内容通俗易懂，图文结合，案例丰富，适合半导体领域的应用工程师（实验室环境）、现场应用工程师、市场工程师学习，也适合光伏、新能源汽车、工业自动化、楼宇自动化、电池行业的从业人员参考，还可以作为高等院校相关专业师生的学习用书和培训机构的培训用书。
在发展日新月异的电子工程领域，运算放大器作为模拟电路设计中不可或缺的基本元件，其重要性不言而喻。凭借其卓越的放大能力、广泛的应用场景和灵活的设计潜力，运算放大器成为连接理论与实践的重要桥梁。尽管市面上存在一些关于运算放大器的图书，但在深入分析和实践指导方面，特别是针对现代硬件工程师和模拟工程师的需求，现有的学习资源仍显不足。因此，本书应运而生，其内容不仅涵盖了运算放大器的基础理论，还深入探讨了运算放大器在现代电子工程中的应用实践。
本书基于作者十余年的运算放大器应用经验，结合当下热点领域，如新能源汽车、光伏和工业自动化等，深入分析了一些典型的应用电路，旨在帮助读者透彻理解运算放大器的工作原理及实际应用。通过学习本书的内容，读者将能够掌握如何有效地设计和应用运算放大器，从而克服实际工作中遇到的各种技术挑战。
在内容设置上，本书首先从运算放大器的发展史和基础知识讲起，包括其工作原理、主要特性，以及基本电路配置；随后逐步深入到运算放大器的关键指标、环路稳定性、典型电路以及特殊功能放大器、基于运算放大器的模拟滤波器设计等高级主题。每一章都配有丰富的插图，重点章节辅有案例研究，确保读者能够在理论与实践之间建立起坚实的联系。特别是第8章“运算放大器应用案例”，将带领读者探索运算放大器在现实世界中的具体应用，从而加深对运算放大器性能和设计的理解。例如，在新能源汽车领域，运算放大器被广泛应用于电池管理系统，用于精确测量电池电压、电流和温度等参数。本书将详细探讨运算放大器在电池监测电路中的应用，以及如何通过精心设计的放大器来提高测量精度和可靠性。此外，本书还将介绍如何使用运算放大器实现电池组间的均衡充电，这对于保证电池寿命至关重要。在光伏系统中，运算放大器也发挥着至关重要的作用。在最大功率点跟踪控制器中，运算放大器被用来检测光伏板产生的电流和电压，并通过算法计算出最佳工作点，从而最大化系统的能量转换效率。本书将探讨不同的电路拓扑结构，并分析它们各自的优缺点，以便读者能够根据具体的应用场景选择最合适的解决方案。在工业自动化领域，运算放大器常常用于信号调节或者用在数据采集系统及闭环控制系统中。本书将介绍如何使用运算放大器构建高精度的信号调理电路，以及如何通过反馈控制来提高系统的响应速度和稳定性。特别地，本书还将介绍运算放大器在温度传感器、压力传感器等各类传感器信号处理中的应用，以及如何通过放大器的设计来克服噪声干扰等问题。
写书是一项极其琐碎、繁重的工作，尽管作者已经竭力追求完美，但书中仍然可能存在不足，欢迎读者提供反馈意见，这将有利于作者完善本书。如果读者对本书有任何建议，或者遇到问题需要帮助，既可以关注公众号“模拟世界的搬运工”并在后台留言，也可以通过电子邮件联系本人（邮箱：single_pole@126.com），作者将尽力解答读者的问题。
本书适合的读者群体广泛，包括但不限于半导体领域的应用工程师（实验室环境）、现场应用工程师、市场工程师，以及光伏、新能源汽车、工业自动化、楼宇自动化和电池行业的从业人员，本书还可以作为高等院校相关专业师生的学习用书和培训机构的培训用书。无论是初学者还是经验丰富的工程师，都能够从本书中获得宝贵的知识，为自己在电子工程领域的发展奠定坚实的基础。
通过阅读本书，读者不仅能获得理论知识，还能通过实践应用加深理解，最终达到学以致用的目的。希望本书能够成为读者在电子工程领域不断探索和进步的良师益友。本书编辑的联系邮箱为zhangtao@ptpress.com.cn。
感谢“模拟世界的搬运工”公众号的粉丝在作者编写本书过程中提供的大力支持！感谢提供宝贵意见的同事们！
欢迎所有对运算放大器感兴趣的读者加入这场探索之旅，让我们一起揭开运算放大器的神秘面纱，探索其背后真实的模拟世界！
注：本书中的图基本上都是作者用软件生成的，为了与软件保持一致，作者没有对图进行修改，特此说明。
作者
回溯运算放大器的发展过程，首先得从“爱迪生效应”说起。某一天，大发明家爱迪生突发奇想，在真空灯泡内碳丝附近另行封入一根铜丝，希望铜丝可以阻止碳丝的蒸发进而延长灯泡的寿命，虽然毫无悬念，碳丝再一次蒸发了，但爱迪生却从这次失败的试验中发现了一个稀奇的现象，即碳丝加热后，铜丝上竟有微弱的电流通过。这股神秘的电流是从哪里来的？虽然当时爱迪生也无法解释，但敏感的爱迪生笃定这是一项重要的新发现，他将这一发现注册了专利，并称之为“爱迪生效应”。
后来人们发现“爱迪生效应”是一种通过热来激发发射载流子的方式。这个现象发生的原因是，提供给载流子的热能使它们能够克服束缚位能，通过热发射产生的载流子可能是电子或者离子，产生电子的热发射被称为热电子发射。发射载流子之后的原始区域会产生一个与被发射载流子总和大小相同、极性相反的载流子。
最先预见到“爱迪生效应”具有实用价值的是英国物理学家和电气工程师约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）。他在爱迪生电灯公司当顾问，又同无线电的发明者马可尼合作进行研究。“爱迪生效应”引起了弗莱明的强烈兴趣，他在与马可尼的合作中已经感到，要实现远距离的无线电通信，就必须有灵敏可靠的检波器（检波器是一种电子设备，主要用于从调制信号中提取原始信息）。
其实，为了寻找到一个高效的检波器，包括马可尼在内的许多科学家都曾做过许多实验，但效果均不理想。弗莱明基于“爱迪生效应”，用一个金属圆筒代替了爱迪生所用的铜丝，将其套在了灯丝外面，再和灯丝一起封在灯泡里。这样，接收电子的面积就大大增加了。
由于金属圆筒接正电、灯丝接负电时，电子从灯丝跑到金属圆筒才有电流通过，因此弗莱明将金属圆筒称为“阳极”，将灯丝称为“阴极”。这种新诞生的器件，其作用相当于一个只允许电流单向流动的阀门，弗莱明于是干脆把它叫作“阀”。这种阀后人将其称为“真空二极管”，如图1-1所示。
图1-1 弗莱明发明的真空二极管
世界上第一个电子管就这样诞生了，它首先被应用到了无线电报的接收机上。它的诞生，离不开爱迪生和马可尼两位大发明家的研究基础，也离不开弗莱明的综合应用和研究。1904年，弗莱明因发明真空二极管获得专利。
某一天，马可尼在美国做无线电通信表演，其表演吸引了一个年轻人的关注，这个年轻人就是刚刚获得博士学位的德福雷斯特。
德福雷斯特在真空二极管内添加了一种栅栏式的金属网，形成电子管的第三个极。他惊讶地看到，这个“栅极”就像百叶窗，能控制阴极与屏极之间的电子流；只要栅极有微弱电流通过，就可在屏极上获得较大的电流，而且波形与栅极电流完全一致。也就是说，在弗莱明发明的真空二极管中增加一个电极，就成了一种能够起放大作用的新器件，他把这种新器件命名为真空三极管，如图1-2所示。
在真空三极管研制成功之后，真空四极管、真空五极管等相继研制成功，它们和真空二极管和真空三极管一起统称为电子管。
图1-2 德福雷斯特发明的真空三极管
20世纪初，随着真空三极管的发明，无数科学家和工程师意识到实现了电子信号传输和放大的真空三极管可以用于模拟计算。模拟计算的原理就是通过具体的电信号的大小来表示物理世界的信息，再通过真空三极管这一电子器件组成的系统，按照加、减、乘、除、积分、微分等数学运算法则对电信号进行变化，最终得到一个同样用电信号表示的运算结果，如此就使用电子器件完成了对物理世界信息的模拟和分析。这一器件被称为“运算放大器”。
20世纪初，电话通信领域面临一个技术挑战：如何有效放大并稳定传输微弱的信号？1927年，贝尔实验室工程师哈罗德·史蒂芬·布莱克着手解决这一难题。他提出了一种创新的解决方案，即利用负反馈原理来设计运算放大器。后来，布莱克的负反馈放大技术被成功应用于电话系统，显著提高了信号放大的稳定性和可靠性。这一技术不仅成为现代运算放大器设计的基础，还为电子信号处理中的数学运算提供了可能，至今仍是电子工程领域的一项核心原理。
此后，真空管运算放大器不断演进和迭代。
1941年，贝尔实验室推出了由真空管组成的第一个运算放大器，名叫“Summing Amplifier”（加法放大器），其开环增益为6万倍（95dB），电源电压±350V。
后来，贝尔实验室推出了M9真空管运算放大器，其开环增益为3000万倍（150dB），是一款仅有反相输入端的真空管运算放大器。
1952年，George A.Philbrick Researches（GAP/R）公司推出了K2-W真空管运算放大器，其开环增益为1.5万倍（83.5dB），这也是首款作为商业产品销售的运算放大器，如图1-3所示。
图1-3 GAP/R公司推出的K2-W真空管运算放大器
1956年，贝尔实验室推出了全差分真空管运算放大器Micro Gee，其开环增益为1万倍（80dB）。
真空管运算放大器的发明推动了电子工业的发展，但其庞大的体积和巨大的耗能限制了人类对它的应用。
1947年，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿发明了世界上首个点接触式晶体管，他们三人因此项发明获得了1956年诺贝尔物理学奖。
1950年，肖克利发明了第一个双极结型晶体管——PN结型晶体管，这种晶体管的实际应用比点接触式晶体管广泛得多。PN结就是P型半导体和N型半导体的结合之处，P型半导体多空穴，N型半导体多电子。相较于真空管，晶体管可靠性更强，尺寸更小，功耗更低。
1958年，德州仪器（Texas Instruments，TI）的Jack Kilby把晶体管、电阻和电容等集成在微小的平板上，用热焊的方式把元件以极细的导线互连，在不超过4mm2的面积上，大约集成了20多个元件。
1959年，仙童半导体的Robert Noyce提出可以用平面处理技术来实现集成电路的大批量生产。
在集成电路被发明之后，仙童半导体的工程师Robert Widlar设计了第一个单片集成运算放大器μA702。虽然μA702当时由于其较小的输入输出摆幅、低增益等不足而未能受到重视，但是由此产生的很多概念奠定了集成电路的发展方向，有些标准至今仍然是线性集成电路设计的标准。
1965年，Robert Widlar推出了μA702的改进版μA709，它是第一个被广泛使用的运算放大器，克服了μA702的一些问题。μA709的主要缺点是存在稳定性问题，它需要外部补偿以防止其振荡。不久，Robert Widlar研发出LM101。
1968年，仙童半导体的工程师David Fullagar对LM101进行了仔细的检查，发现这款芯片的设计虽然巧妙，但还是存在一些缺陷。其中最大的缺陷是，由于半导体质量的变化，有些芯片在输入级对噪声过于敏感。David为LM101增加了一对额外的晶体管，额外的电路使得放大过程更加平滑，同时集成了一个30pF的米勒电容，解决了不稳定问题，这意味着不需要外部补偿元件。这款新的芯片被命名为μA741，它后来成为运算放大器的标准，是有史以来最成功的运算放大器，迄今为止仍在生产使用，也是极少数最长寿的IC（Integrated Circuit，集成电路）型号之一。
随着μA741的面世，每年都有新的运算放大器推出，运算放大器的性能和可靠性也在不断迭代升级，从而使得运算放大器可以被任何人用于模拟电路的设计。
