本书能够使电路设计者对运放的理论和设计有更加清晰和深入的理解。其核心是将所有的运放按拓扑形式分成九类主要结构，系统介绍了运放电路的设计。这种分类方法有助于电路设计人员很快地识别、理解和选择合适的运放结构体系。这九类放大器涵盖了从一级至四级或更多级的放大器结构。书中对很多著名的设计形式进行了全面的评价，给出了所有九类放大器在高频情况下的补偿技术，特别给出了具有“Rail-to-Rail”输入输出范围的低压低功率结构；对全差分运放和浮点运放的设计进行了深入讨论。同时，结合对参数的测量技术，通过宏模型和误差矩阵的形式对运放进行了表征。

出 版 前 言

微电子技术是信息科学技术的核心技术之一，微电子产业是当代高新技术产业群的核心和维护国家主权、保障国家安全的战略性产业。我国在《信息产业“十五”计划纲要》中明确提出：坚持自主发展，增强创新能力和核心竞争力，掌握以集成电路和软件技术为重点的信息产业的核心技术，提高具有自主知识产权产品的比重。发展集成电路技术的关键之一是培养具有国际竞争力的专业人才。

微电子技术发展迅速，内容更新快，而我国微电子专业图书数量少，且内容和体系不能反映科技发展的水平，不能满足培养人才的需求，为此，我们系统挑选了一批国外经典教材和前沿著作，组织分批出版。图书选择的几个基本原则是：在本领域内广泛采用，有很大影响力；内容反映科技的最新发展，所述内容是本领域的研究热点；编写和体系与国内现有图书差别较大，能对我国微电子教育改革有所启示。本套丛书还侧重于微电子技术的实用性，选取了一批集成电路设计方面的工程技术用书，使读者能方便地应用于实践。本套丛书不仅能作为相关课程的教科书和教学参考书，也可作为工程技术人员的自学读物。

我们真诚地希望，这套丛书能对国内高校师生、工程技术人员以及科研人员的学习和工作有所帮助，对推动我国集成电路的发展有所促进。也衷心期望着广大读者对我们一如既往的关怀和支持，鼓励我们出版更多、更好的图书。

清华大学出版社

2003.9    

Operational Amplifiers-Theory and Design

影 印 版 序

我们非常高兴向同行们推荐Johan H. Huijsing教授所著的《运算放大器——理论与设计》一书。运放（OpAmps）作为独立器件, 在个人数据助理、通信、汽车电子、音影产品、仪器仪表、传感器等领域有广泛的应用。同时运放也是模拟系统的重要组成部分，利用运放可以实现A/D、D/A、有源滤波等多种功能。近几年中，我国以运放为代表的模拟集成电路产品每年都有大幅度增长。在可以预见的未来，随着数字集成电路技术的不断进步和集成电路市场的发展，兼有模拟集成电路和数字集成电路的SoC或混合集成电路将会越来越受到重视，这对集成电路研发人员提出了更高的要求。毫无疑问，在很多产品领域，高水平运放电路的设计，不但直接影响产品性能，也将影响到企业的创新能力。我们相信本书在中国的出版，将会对提高该领域的教学、研究和产品设计水平产生积极的影响。

对于很多业内人士来说，Johan H. Huijsing教授并不陌生，他多年从事运放理论、设计和应用研究，已经发表数百篇学术论文和几十项专利，单独或合作完成十多本学术著作。在模拟电路领域有很高的国际知名度和影响力。由于他在技术科学方面的贡献，荷兰政府曾经授予他Simon Stevin Meester奖。

Johan H. Huijsing教授长期在著名的荷兰德尔夫特工业大学（Delft University of Technology）从事研究和教学，也在知名企业Philip等公司研究部门担任过高级研究员或研究顾问，这就使他的著作具有较高的学术视野和实际应用价值。

本书能够使电路设计者对运放的理论和设计有更加清晰和深入的理解。其核心是将所有的运放按拓扑形式分成九类主要结构，系统介绍了运放电路的设计。这种分类方法有助于电路设计人员很快地识别、理解和选择合适的运放结构体系。这九类放大器涵盖了从一级至四级或更多级的放大器结构。书中对很多著名的设计形式进行了全面的评价，给出了所有九类放大器在高频情况下的补偿技术，特别给出了具有“Rail-to-Rail”输入输出范围的低压低功率结构；对全差分运放和浮点运放的设计进行了深入讨论。同时，结合对参数的测量技术，通过宏模型和误差矩阵的形式对运放进行了表征。

全书共分9章，第1章根据抽象化的线性有源网络单元的输入和输出端口的对外接地方式定义了四种基本形式的运放。第2章给出了上述四种基本形式运放的全部的线性参数，通过这些参数可以对放大器进行定量描述。本章同时介绍了运放的宏模型和测量技术。第3章根据四种基本放大器的重要应用背景，对放大器的误差来源进行系统的处理。第4章对输入级进行了分析和估算，所考虑的重要方面包括偏压、补偿、噪声、共模抑制。同时，对低压输入级的“Rail-to-Rail”输入电压范围进行了大量讨论。第5章给出了对推挽输出级的分类，探索了三种可能的拓扑形式：电压跟随级、混合跟随级、“Rail-to-Rail”通用放大器级，给出了带有前反馈和后反馈偏置的AB类技巧。第6章的主要内容是将运放分为九类主要的结构体系。分类由两种二级运放、六种三级运放、一种四级或多级运放组成。给出了从一级到四级的所有九类放大器在高频情况下的补偿技术。第7章给出了九种主要类型放大器的设计范例，详细介绍了许多著名的运放。其中包括简单的CMOS运放、高频双极运放、精确双极型运放和BiCMOS运放；低压CMOS运放和双极型运放、带有高输出能力的CMOS和BiCMOS运放。第8章对含有共模反馈的全差分放大器的设计进行了分析讨论，特别是着重介绍了低压体系结构。第9章介绍了浮点运放实现的方法。

这本书读者对象为微电子专业、信号与系统专业、传感器与测试专业的硕士与博士研究生、高年级本科生，器件和电路系统设计工程师与技术管理人员。书中给出了一定数量的习题和模拟练习，以便于大家在学习过程中进行自我评估。

刘泽文，王志华     

2006年9月于清华大学微电子所

SUMMARY

INTRODUCTION

NOTATION

1. DEFINITION OF OPERATIONAL 

AMPLIFIERS

Nullor Concept

Classification based on number of floating ports

1.1  Operational Inverting Amplifier(OIA)

1.2  Operational Voltage Amplifier(OVA)

1.3  Operational Current Amplifier(OCA)

1.4  Operational Floating Amplifier(OFA)

1.5  Conclusion

1.6  References

2. MACROMODELS

2.1  Operational Inverting Amplifier(OIA)

2.2  Operational Voltage Amplifier(OVA)

2.3  Operational Current Amplifier(OCA)

2.4  Operational Floating Amplifier(OFA)

2.5  Macro models in Spice

2.6  Measurement Techniques for Opera-tional Amplifiers

2.7  Problems and Simulation Exercises

2.8  References

3. APPLICATIONS

3.1  Operational Inverting Amplifier

3.2  Operational Voltage Amplifier

3.3  Operational Current Amplifier

3.4  Operational Floating Amplifier

3.5  Dynamic range

3.6  Problems

3.7  References

4. INPUTSTAGES

4.1  Offset，Bias，and Drift

4.2  Noise

4.3  Common-Mode Rejection

4.4  Rail-to-rail Input Stages

4.5  Problems and Simulation Exercises

4.6  References

5. OUTPUTSTAGES

5.1  Power Efficiency of Output Stages

5.2  Classification of Out put Stages

5.3  Feed forward Class-AB Biasing(FFB)

5.4  Feedback Class-AB Biasing(FBB)

5.5  Saturation Protection and Current 

Limitation

5.6  Problem sand Simulation Exercises

5.7  References

6. OVERALLDESIGN

6.1  Classification of Overall Topologies

6.2  Frequency Compensation

6.3  Slew Rate

6.4  Non-Linear Distortion

6.5  Problems and Simulation Exercises

6.6  References

7. DESIGNEXAMPLES

Nine overall topologies

7.1  GA-CF Configuration

7.2  GA-GA Configuration

7.3  GA-CF-VF Configurations

7.4  GA-GA-VF Configurations

7.5  GA-CF-VF/ GA Configuration

7.6  GA-GA-VF/GA Configuration

7.7  GA-CF-GA Configurations

7.8  GA-GA-GA Configurations

7.9  GA-GA-GA-GA Configuration

7.10  Problems and Simulation Exercises

7.11  References

8. FULLYDIFFERENTIALOPERATIONA- LAMPLIFIERS

8.1  Fully Differential GA-CF Configu-ration

8.2  Fully Differential GA-CF-GA Con-figuration

8.3 Fully Differential GA-GA-GA-GA Configuration

8.4  Problems and Simulation Exercises

8.5  References

9. OPERATIONAL FLOATINGAMPLI-FIERS (OFA)

9.1  Introduction

9.2  Unipolar Voltage-to-Current converter

9.3  Differential Voltage-to-Current con-verters

9.4  Instrumentation Amplifiers

9.5  Universal class-AB voltage-to-current converter design using an Instru-mentation Amplifier

9.6  Universal class-AOFA design

9.7 Universal class-ABOF Realization with power-supply isolation

9.8  Universal Class-ABOFA design

9.9  Problems

9.10  References

BIOGRAPHY

INDEX