入門運算放大器: 工業用書 | 誠品線上

入門オペアンプ內部回路から理解する電子回路設計

內容簡介

內容簡介 家村著作思想 離今約17 年前，當我從宮崎工業高等學校轉任至崇城大學(舊 名為熊本工業大學)電子工學系時，對於教學課程之缺乏(學生沒有 聽聞到)感到吃驚。 當時，就覺得自己應該有所努力。 又，在學生實驗中，有關電晶體之頻率特性在每週的星期三的 90 分 × 3 = 270 分鐘，擔任了13 年的工作，當時的學生從1 年級到 4 年級畢業，4 年間的受教學生為165 名，其他教師在電子電路教 學中所教的電晶體之信號放大原理，學生都有學過，但是，大約有 9 成比例的學生並不瞭解其內容。因此，對於電晶體信號之放大原 理，利用90 分鐘做說明，然後開始做實驗。此也是讓我自己對於 電子電路會增強實力的原因之一。 我在初中、高中、大學受教的過程中，讓我印象最深刻的老師 有幾名。例如，高中時代的理科老師(目前住在東京，經過58 年到 現在仍然有賀年卡聯絡)、高中時代的英語老師(已過逝)，大學時代 的電驗一種合格老師(已過逝)等，這些老師的教學風範與人格，是 影響我的研究學著作活動因素之一。 我在大學為止所受的教育中，有關在大學的專門教學課程，大 多坐在椅子上，去唸很難瞭解的教科書。當時學生間流傳的話是， 所學到的大多是學生自己努力去學習的，而非從老師的教學授課得 來的。 我們做為老師的對於教學的努力工夫不夠是不能推託的。 4 家村之著作之思想 在大學電氣工學科的班上30 名學生，只靠上了很難瞭解的教 科書而能夠有所瞭解的約3 位而已。反而高專或工業高等學校畢業 的學生，對於所受教課程瞭解較多。 這在我27 歲時擔任工業高等學校電氣科之教師時有所理解， 因為所用的教科書是經由文部省檢定，由基礎開始容易瞭解的內 容。 對於專門科目的教育所使用的教科書要期待對於基礎內容有很 充實的說明實在不太可能。 目前或同年代的人約有5 成比例的人有機會進大學唸書，對於 從基礎開始便能夠做容易瞭解說明以及對於專門知識的內容能夠以 圖解說明的教科書應該作出來。例如，入門電子電路的類比編，入 門OP Amp 等各個電路之製作，實驗結果(示波器波形照片)等也應 該加上去。 在這進步的技術社會中，對於年輕學子如何提供容易瞭解的教 科書與教學，對於大學之發展，日本技術之進步是會有幫助的。今 後也期望多多指教。 平成21 年8 月25 日 家村 道雄 序 言 OP Amp(運算放大器)為離今約60 年前所發明的。約在1965~ 70 年才完成實用化。目前已廣泛運用在各個電子領域。 OP Amp IC 可以做高速‧高精密度的包含直流之超低頻率放 大，其特性為  輸入阻抗極大(600kΩ程度)  為差動放大電路  輸出阻抗極小(70Ω程度)  放大率很大(104~106 程度) 此對於微弱之類比信號檢出與測量可以發揮其功能。 OP Amp 的應用電路有反相放大器、非反相放大器、反相加算 放大器、反相減算放大器、微分器、積分器、Wien Bridge 振盪 器、通低頻濾波器、通高頻濾波器等。這些應用電路可以使用於通 信、量測、工業、電視、樂器、玩具、OA 機器等電子機器上。 本書執筆之動機之一為第二種電氣主任技術者國家考試之「理 論」考題中，使用OP Amp 的電路約在10 年前就開始常出題的緣故。 在當時，作者本身對於OP Amp 內部電路以及其功能仍然是抱 著疑問。 為了對於具有雙極性(Bipolar)電晶體構造之OP Amp IC 的內部 電路有所瞭解，以利本書之執筆，使用了雙極性電晶體做出 OP Amp 全體電路、 npn 型2SC1815 之靜特性實驗電路等15 種以上 之OP Amp 內部電路之製作。其中，當然要利用示波器紀錄信號大 小與顯示必要端子之波形。 6 家村之著作之思想 在OP Amp IC 中，總共使用了20 個npn 型電晶體(2SC1815)與 pnp 型電晶體(2SA1015)，在第2 章中說明npn 型與pnp 型電晶體之 動作原理、靜態特性、h 參數、放大作用、簡易等效電路，並且加 入例題。 第3 章說明npn 型差動放大電路之等效電路，以及pnp 型差動 放大電路之等效電路。又，由差動放大電路加上Current Mirror（吸 入型）負載之等效電路，導出相對於輸入信號之輸出信號，由差動 放大電路加上Current Mirror(單一輸出形)負載之等效電路導出相對 於輸入信號之輸出信號，由於第2、3 章為本書之基本，必須瞭解 透徹。又，在第3 章所學到的對於OP Amp 以外之水準較高的電子 電路學習也有所幫助。 第4 章說明OP Amp 中級之高放大率放大電路之達靈頓連接的 簡易等效電路及高放大率放大電路之簡易等效電路。 第5 章將針對OP Amp 輸出端子B 級推挽式電路加以說明。 第6 章將針對OP Amp 中，最困難的輸入電路，由第2 章、第 3 章所瞭解的去做說明。 第7 章針對OP Amp 內部電路做總合性的觀察與分析，以進一 步瞭解此一內部電路。接著，在第8 章將說明OP Amp 之各種應用 電路與實驗結果。 在著作與教學時，為了使大家能夠瞭解，對於理論基準儘量以 淺顯易懂的方式說明，此次，更進一步利用實驗來驗證理論之一致 性，使讀者對於電子電路有更深一層的瞭解，以期對於各種應用領 域有所關心。 最後，本書出版承蒙ohmsha 社出版局之各位之幫助，謹此致 感謝之意。 2009 年4 月 作者代表 家村 道雄

作者介紹

作者介紹 ■作者簡介家村道雄. 村田勝昭陳連春

產品目錄

產品目錄 目 錄 序 言 OP Amp 之電路例與本書之構成 13 [1] OP Amp 之電路例 14 [2] 本書之構成 15 為瞭解內部電路之基礎 [I] 21 2.1 電晶體之種類與動作原理 22 [1] 電晶體之種類 22 [2] npn 型電晶體之動作原理 23 [3] npn 型電晶體之IE ， IC 與IE 之關係 25 [4] pnp 型電晶體的動作原理 26 [5] pnp 型電晶體的IE ， IC 與IB 的關係 27 2.2 npn 型電晶體之靜特性與h 參數(h Parameter) 29 [1] 求出npn 型電晶體2SC1815 的靜特性之實驗 29 [2] npn 型2SC1815 之靜特性與h 參數(h Parameter) 30 2.3 npn 型2SC1815 之基本放大電路例與放大作用 35 [1] 直流負載線 35 [2] 動作點 35 [3] 動特性 37 [4] npn 型射極接地方式之簡易等效電路 37 [5] npn 型2SC1815 之放大電路之放大作用的實驗 39 8 目 錄 2010 9 8 下午 05:36 （ D: 建興 建興稿子 99.6.21 建興_入門OPAmp.(運算放大器)－由 內部電路開始瞭解電子電路設計 目錄.doc ） 2.4 pnp 型電晶體之靜特性 40 [1] 求得pnp 型電晶體2SA1015 靜特性之實驗 40 [2] pnp 型電晶體2SA1015 之靜特性之例子 42 2.5 pnp 型2SA1015 之基本放大電路之放大特性 43 [1] 放大特性 43 [2] pnp 型之簡易等效電路 45 [3] pnp 型2SA1015 之放大電路所產生之放大作用 之實驗 46 為瞭解內部電路之基礎 [II] 53 3.1 差動放大電路 54 [1] npn 型差動放大電路之等效電路 54 [2] 當輸入信號2 υ 相對於輸入信號1 υ 為相位相反時 56 [3] 輸入信號1 υ 與輸入信號υ 2 為同相時 58 [4] 當輸入信號為1 υ 而υ 2 = 0 時，也即是輸入端子 為接地連接時 59 [5] npn 型差動放大電路之放大作用之實驗 61 [6] pnp 型差動放大電路 63 3.2 Current Mirror 電路(吸入型) 64 [1] Current Mirror 電路(吸入型)為使在上方連接之 差動放大電路的集極直流電流相等的電路 64 [2] Current Mirror(吸入型)的阻抗 68 [3] Current Mirror(吸入型)之實驗 70 [4] Current Mirror(吸入型)連接在差動放大電路上的方法 74 [5] 在差動放大電路上連接Current Mirror(吸入型)之 等效電路檢討 75 [6] 差動放大電路的負載為Current Mirror(吸入型)時 之實驗 79 目 錄 9 2010 9 8 下午 05:36 （ D: 建興 建興稿子 99.6.21 建興_入門OPAmp.(運算放大器)－由 內部電路開始瞭解電子電路設計 目錄.doc ） 3.3 Current Mirror 電路(單一輸出型) 85 [1] Current Mirror 電路(單一輸出型)使下方所連接的 差動放大電路之集極直流電流相等 85 [2] Current Mirror 電路(單一輸出型)的阻抗 88 [3] 在差動放大電路上連接Current Mirror(單一輸出型) 90 [4] 在差動放大電路上連接Current Mirror(單一輸出型) 之等效電路檢討 91 [5] Current Mirror(單一輸出型)之負載的差動放大電路 之實驗 95 為瞭解內部電路之高放大率放大電路 99 4.1 高放大率放大電路之內部構成 100 [1] 達靈頓連接(npn 與npn 之組合) 100 [2] 達靈頓連接(pnp 與npn 之組合) 102 [3] 達靈頓連接之簡易等效電路 103 [4] 高放大率放大電路之簡易等效電路 104 [5] 高放大率放大電路(達靈頓連接)之輸入阻抗 105 4.2 高放大率放大電路之實驗 109 [1] 輸入信號‧輸出信號之波形 109 [2] 改變端子與E(接地)間之Ro 時，輸入信號， 輸出信號之波形 109 [3] RA = 47 kΩ， RB = 47 Ω之作用 112 [4] 保護電路 113 4.3 高放大率放大電路的特性 115 [1] 在高放大率放大電路之振盪防止用的C 有影響的場合 115 [2] 高放大率放大電路之波形觀測實驗方法 120 10 目 錄 2010 9 8 下午 05:36 （ D: 建興 建興稿子 99.6.21 建興_入門OPAmp.(運算放大器)－由 內部電路開始瞭解電子電路設計 目錄.doc ） 為瞭解內部電路之B 級推挽式電路 123 5.1 B 級推挽式電路的內部構成 124 5.2 內部的各電路之動作 125 [1] 射極隨耦器 125 [2] 互補對稱式SEPP 電路 130 5.3 B 級推挽式電路之波形觀測 137 5.4 OP Amp(電路例)內的輸出電路(B 級推挽式電路) 之波形觀測 142 為瞭解內部電路之輸入電路 147 6.1 OP Amp 例子中的輸入電路 148 [1] OP Amp 電路例子中的輸入電路的內部構成 148 [2] 瞭解輸入電路用之基本電路(差動放大電路) 149 [3] 為瞭解輸入電路用之Offset 調整電路 159 [4] OP Amp 電路例子中的輸入電路 166 為瞭解內部電路之OP Amp 綜合性觀察 與分析 181 7.1 當輸入電路之輸出與高放大率放大電路連接時， 輸入電路的輸出會變小的理由 182 [1] 輸入阻抗與輸出阻抗 182 [2] 輸出阻抗為很大時 183 [3] 輸入電路之輸出電阻Ro 之計算 184 7.2 在OP Amp 之反相輸入端子，同相輸入端子上 加上輸入信號時OP Amp 之輸出 187 目 錄 11 2010 9 8 下午 05:36 （ D: 建興 建興稿子 99.6.21 建興_入門OPAmp.(運算放大器)－由 內部電路開始瞭解電子電路設計 目錄.doc ） [1] 輸入電路之輸出信號加在高放大率放大電路之輸入 時截止頻率之下降 187 [2] 在OP Amp 之反相輸入端子  上加上輸入信號時之 各電路的信號變化 194 [3] 在OP Amp 之同相輸入端子  上加入輸入信號時之 各電路的信號變化 199 7.3 OP Amp 之各電路的輸入出阻抗 201 [1] B 級推挽式電路之輸入出阻抗 201 [2] 高放大率放大電路之輸入出阻抗 202 [3] OP Amp 之輸入阻抗之測量 204 OP Amp 的基本應用電路 209 8.1 反相放大器 210 [1] 沒有考慮到端子間的靜電容量時之反相放大器 210 [2] 考慮到端子間之靜電容量時的反相放大器 212 8.2 考慮端子間之靜電容量時之非反相放大器 216 8.3 不考慮端子間的靜電容量時的反相加算放大器 220 8.4 不考慮端子間的靜電容量時之反相差動放大器 222 8.5 微分器 224 8.6 積分器 227 8.7 Wien Bridge 振盪電路 230 [1] 振盪的原理 230 [2] Wien Bridge 振盪電路 231 8.8 通低頻濾波器(Low Pass Filter) 236 [1] 通低頻濾波器之理論相當優越 236 [2] 通低頻濾波器電路 241 8.9 通高頻濾波器(High Pass Filter) 244 [1] 通高頻濾波器之理論 244 [2] 通高頻濾波器電路 247

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