嵌入式系统中的模拟电路设计 第2版PDF电子书下载

第1章 模数转换器（ADC）的驱动电路设计 1

1.1 影响ADC精度的一些技术指标 1

1.1.1 选择ADC时需要考虑的一些因素 1

1.1.2 ADC的转换函数 4

1.1.3 ADC的偏置误差 5

1.1.4 ADC的增益误差 6

1.1.5 ADC的微分非线性误差 7

1.1.6 ADC的积分非线性误差 7

1.1.7 ADC的绝对精度误差 8

1.1.8 ADC的孔径误差 8

1.1.9 ADC的量化误差 9

1.1.10 ADC的动态指标 10

1.1.11 系统精度和分辨率 13

1.2 为ADC选择合适的驱动缓冲器 14

1.2.1 噪声对ADC性能的影响 14

1.2.2 总谐波失真加噪声（THD+N） 20

1.2.3 带宽 21

1.2.4 压摆率和建立时间 23

1.2.5 缓冲器性能与ADC的输入结构 25

1.3 放大器电路设计中应注意避免的一些问题 27

1.3.1 正确地为AC耦合提供DC偏置电流回路 27

1.3.2 正确地为放大器和ADC提供参考电压 29

1.3.3 注意片上输入保护二极管带来的问题 33

1.3.4 运算放大器的接地点选择 33

1.3.5 运算放大器的屏蔽 36

1.4 单电源运算放大器电路设计应考虑的问题 38

1.4.1 输入级和输出级 38

1.4.2 失调电压（Vos）和输入偏置电流（IB） 39

1.4.3 增益与负载的关系 41

1.4.4 摆率、开环增益与输出摆幅 41

1.4.5 噪声 42

1.4.6 失真 43

1.4.7 为单电源运算放大器电路提供退耦 44

1.4.8 为单电源运算放大器电路提供负电源 45

1.5 基于运算放大器的ADC驱动电路 46

1.5.1 转换ADC的输入电压范围 46

1.5.2 双极性SAR ADC的低失真直流耦合驱动 47

1.5.3 16位ADC单端输入驱动电路 47

1.5.4 12位ADC单端输入驱动电路 48

1.5.5 单端输入、差分输出ADC驱动电路 49

1.5.6 差分输入、差分输出ADC驱动电路 49

1.5.7 多通道16位逐次逼近型ADC驱动电路 51

1.5.8 增益可编程ADC驱动电路 52

1.6 基于仪表放大器的ADC驱动电路 53

1.6.1 仪表放大器电路与ADC的匹配 53

1.6.2 带宽为3.4 MHz的高速ADC驱动电路 54

1.6.3 16位3Msps PUISAR？ ADC驱动电路 54

1.6.4 微控制器内部ADC的驱动电路 56

1.6.5 改进仪表放大器的差分输出电路 56

1.6.6 高速、高共模抑制比精密模拟前端电路 58

1.6.7 高阻抗、高CMR、±10V模拟前端电路 59

1.6.8 适合宽动态范围信号调理的4通道模拟前端电路 61

1.7 高速差分ADC驱动器 64

1.7.1 差分信号的特点 64

1.7.2 全差分电压反馈ADC驱动器电路 65

1.7.3 差分放大器电路的增益 65

1.7.4 差分输入的匹配电阻 66

1.7.5 单端输入的匹配电阻 66

1.7.6 输入耦合 68

1.7.7 输出耦合 69

1.7.8 差分ADC驱动器的噪声 69

1.7.9 电源电压选择与处理 69

1.7.10 注意差分ADC驱动器数据手册中的一些参数 70

1.8 基于差分放大器的ADC驱动电路 74

1.8.1 单端到差分的12位40Msps ADC驱动电路 74

1.8.2 3V单电源单端输入、差分输出ADC驱动电路 76

1.8.3 单端输入、差分输出ADC驱动电路 77

1.8.4 单端至差分双通道12位3Msps SAR ADC驱动电路 78

1.8.5 单端至差分的轨到轨输出ADC驱动电路 79

1.8.6 单端输入、差分输出14位ADC驱动电路 80

1.8.7 单端输入、差分输出16位ADC驱动电路 81

1.8.8 单端输入、差分输出105 Msps ADC驱动电路 82

1.8.9 DC耦合单端到差分ADC驱动电路 83

1.8.10 单端输入、差分输出增益可选的差分ADC驱动电路 84

1.8.11 单端输入、差分输出交流耦合IF ADC驱动电路 85

1.8.12 单端输入、差分输出交流耦合宽带IF ADC驱动电路 87

1.8.13 RF/IF前端差分ADC驱动电路 89

1.8.14 双通道IF采样接收机的ADC驱动电路 90

1.8.15 16位140MHz ADC驱动电路 93

1.8.16 差分输入、差分输出200MHz IF ADC驱动电路 94

1.8.17 差分输入、差分输出75～250MHz IF ADC驱动电路 96

1.8.18 用200MHz变压器来实现单端至差分转换 97

1.8.19 用800MHz变压器来实现单端至差分转换 98

1.8.20 ADC驱动变压器二次侧的阻抗匹配 98

1.8.21 单端输入、差分输出750MHz ADC驱动电路 100

1.8.22 采用集成宽带有源滤波器的ADC驱动电路 101

1.9 ADC输入采样/保持电路 104

1.9.1 影响采样/保持电路的技术参数 104

1.9.2 采样时间为700ns的ADC输入采样/保持电路 106

1.9.3 采样时间为250ns的ADC输入采样/保持电路 108

1.9.4 隔离的多通道ADC前端电路 109

第2章 数模转换器（DAC）的输出电路设计 112

2.1 影响DAC精度的一些技术指标 112

2.1.1 DAC的转换函数 112

2.1.2 DAC的偏置误差 113

2.1.3 DAC的增益误差 113

2.1.4 DAC的微分非线性误差 114

2.1.5 DAC的积分非线性误差 114

2.1.6 DAC的绝对精度误差 115

2.2 DAC的输出电路 115

2.2.1 转换DAC电流输出为电压输出的电路 115

2.2.2 DAC的双极性电压输出电路 116

2.2.3 单极性DAC的输出电路 118

2.2.4 电压输出DAC的输出电路 118

2.2.5 电流输出DAC的输出电路 119

2.2.6 视频DAC输出电路 120

2.2.7 视频DAC输出缓冲电路 121

2.2.8 具有采样/保持电路的4通道DAC输出电路 122

2.2.9 具有采样/保持电路的8通道DAC输出电路 122

2.2.10 隔离的DAC输出电路 124

2.2.11 高速电流输出DAC的缓冲器电路 125

第3章 抗混叠滤波器电路设计 129

3.1 抗混叠滤波器 129

3.1.1 混叠现象的产生 129

3.1.2 低通滤波器的频域特性 131

3.1.3 混叠频率计算 133

3.1.4 低通滤波器的设计工具 134

3.2 OP构成的抗混叠滤波器电路 135

3.2.1 1Hz4阶低通滤波器电路 135

3.2.2 5阶1kHz低通Bessel滤波器电路 136

3.2.3 Butterworth低通滤波器电路 137

3.2.4 5阶100kHz Chebyschev低通滤波器电路 138

3.2.5 RTD温度传感器的低通滤波电路 138

3.2.6 多路输入的低通滤波电路 139

3.3 集成的抗混叠滤波器电路 140

3.3.1 4阶Butterworth滤波器 140

3.3.2 数字可编程双路2阶连续时间方式低通滤波器 141

3.3.3 5阶低通开关电容滤波器 142

3.3.4 8阶低通开关电容滤波器 143

3.3.5 8阶低通Elliptic开关电容滤波器 144

3.3.6 可配置的滤波器和ADC驱动电路 144

3.3.7 UHF RFID阅读器的双基带ADC滤波电路 146

3.3.8 双2阶10MHz低通滤波器 147

第4章 电压基准电路设计 148

4.1 电压基准的选择 148

4.1.1 选择电压基准源的一些考虑 148

4.1.2 齐纳基准源 150

4.1.3 带隙基准源 152

4.1.4 XFET基准源 152

4.1.5 串联型电压基准 153

4.1.6 并联型电压基准 154

4.1.7 串联型或并联型电压基准的选择 155

4.2 单片电压基准电路 156

4.2.1 超低噪声XFET基准电压源 156

4.2.2 超低噪声LDO XFET基准电压源 157

4.2.3 2.5 V电压基准 158

4.2.4 1.25 V/2.048V/2.5 V/3V/3.3 V/4.096V/5V电压基准 158

4.2.5 5V电压基准电路 158

4.2.6 高输出电流的电压基准电路 159

4.2.7 采用基准电压源和运算放大器构成的电压基准电路 159

4.2.8 24位ADC的基准电压电路 160

4.2.9 电压输出DAC的电压基准电路 161

4.2.10 精密DAC电压基准电路 162

4.2.11 ADC和DCA电压基准电路 162

4.3 输出电压可调的电压基准电路 162

4.3.1 可编程输出电压的电压基准电路 162

4.3.2 可数字调节输出电压的电压基准电路 163

4.3.3 可开关控制的电压基准电路 165

4.4 扩展输入电压的电压基准电路 166

4.4.1 3.6 ～40V输入电压的电压基准电路 166

4.4.2 4～30V输入电压的电压基准电路 166

4.4.3 6～80V输入电压的电压基准电路 167

4.4.4 6～160V输入电压的电压基准电路 167

4.5 扩展输出电流的电压基准电路 168

4.5.1 精密Boost输出调节电路 168

4.5.2 扩展输出电流的电压基准电路 168

4.5.3 扩展输出电流到100mA的电压基准电路 169

4.5.4 扩展输出电流到300mA的电压基准电路 169

4.5.5 扩展输出电流到50mA的负电压基准电路 169

4.5.6 扩展输出电流到100mA的负电压基准电路 170

4.6 负电压基准电路 170

4.6.1 单片电压基准器件构成的负电压基准电路 170

4.6.2 采用运算放大器的负电压基准电路 171

4.6.3 采用开关电容电压反相器的负电压基准电路 171

4.7 正负电压基准电路 172

4.7.1 ±2.5 V基准电压电路 172

4.7.2 ±5V基准电压电路 173

4.8 调节外部基准电压改变Σ-Δ ADC的增益 173

4.8.1 MAX149x系列Σ-Δ面板表ADC 173

4.8.2 电压基准对ADC的影响 173

4.8.3 利用分压网络构成可调基准 174

4.8.4 ADC使用外部基准时的一些考虑 175

4.9 通过调节电压基准来增加ADC的精度和分辨率 175

4.9.1 采用多路开关调节电压基准的测量电路 175

4.9.2 基准电压对ADC精度和分辨率的影响 177

4.10 多ADC系统的基准电压设计 178

4.10.1 多ADC系统的基准电压 178

4.10.2 ADC的精度 178

4.10.3 采用单一外部电压基准 179

4.10.4 采用一组外部电压基准 180

第5章 模数混合系统的PCB设计 182

5.1 模数混合电路PCB的分区 182

5.1.1 PCB按功能分区 182

5.1.2 分割的隔离与互连 183

5.2 模数混合电路的接地和电源去耦合 184

5.2.1 设计理想的参考面 184

5.2.2 模拟地和数字地分割 186

5.2.3 按电路功能分割接地平面 187

5.2.4 采用“统一地平面”形式 188

5.2.5 数字和模拟电源平面的分割 189

5.2.6 ADC接地对系统性能的影响 190

5.2.7 模数混合系统的电源和接地布局考虑 192

5.2.8 去耦电容的安装位置 194

5.2.9 最小化去耦电容器和IC之间的电流环路 194

5.2.10 去耦电容器与电源引脚端共用一个焊盘 195

5.2.11 采用一个小面积的电源平面来代替电源线条 195

5.2.12 在每个电源引脚端都连接去耦电容器 196

5.2.13 并联使用多个去耦电容器 196

5.2.14 降低去耦电容器的ESL 199

5.2.15 电源线和地线要布在一起 199

5.3 运算放大器的PCB设计 202

5.3.1 放大器输入端保护环设计 202

5.3.2 单端输入、差分输出放大器PCB的对称设计 204

5.3.3 高速差分ADC驱动器的PCB设计 204

5.3.4 差分ADC驱动器裸露焊盘的PCB设计 206

5.3.5 低失真高速差分ADC驱动电路的PCB设计 207

5.4 12位称重系统的PCB设计 211

5.4.1 12位称重系统电路 211

5.4.2 没有采用接地平面的PCB设计 212

5.4.3 采用接地平面的PCB设计 213

5.4.4 增加抗混叠滤波器 215

5.5 24位Δ-∑ ADC的PCB设计 216

5.5.1 如何得到23位RMS有效分辨率 216

5.5.2 电源层和接地层的布局 216

5.5.3 选择一个合适的外部时钟源 218

5.5.4 推荐使用一个外部基准电压源 219

5.5.5 缩短输入引脚的连线并滤波 219

5.6 模数混合系统PICtai1TM演示板的PCB设计 220

5.7 多通道同时采样数据采集系统的PCB设计 224

5.7.1 多通道同时采样数据采集系统简介 224

5.7.2 DAS的主要噪声和干扰源 225

5.7.3 输入缓冲放大器的选择 227

5.7.4 对输入滤波电路的要求 228

5.7.5 ADC基准电压选择 229

5.7.6 采用低通滤波器抑制噪声 229

5.7.7 DAS的PCB设计 229

5.8 16位DAC的PCB设计 237

5.8.1 16位DAC电路 237

5.8.2 有问题的PCB设计 238

5.8.3 改进的PCB设计 239

第6章 模拟前端（AFE）电路设计 241

6.1 传感器模拟前端电路 241

6.1.1 适合应变仪、温度传感器的多通道24位传感器模拟前端 241

6.1.2 适合pH化学传感器应用的可编程的模拟前端 244

6.1.3 适合NDIR应用的传感器模拟前端 245

6.1.4 适合低功耗的化学传感器的可编程的模拟前端 246

6.1.5 适用于体重计和人体成分测量的模拟前端 246

6.2 用于电容传感器接口的模拟前端电路 248

6.2.1 用于电容式传感器的CapTouchTM控制器 248

6.2.2 CapTouch控制器应用中的传感器的设计 249

6.2.3 传感器的响应 252

6.2.4 CapTouch控制器的布局布线指南 255

6.3 ECG/EKG模拟前端电路 258

6.3.1 典型的ECG设备模拟前端 258

6.3.2 正确选择ADC可以降低对AFE的要求 260

6.3.3 布局、接地和旁路 262

6.3.4 ADAS1000-x系列ECG模拟前端 263

6.4 超声模拟前端电路 268

6.4.1 超声成像系统及主要功能元件的设计考虑 268

6.4.2 基于延时线的CWD波束成型超声系统 272

6.4.3 基于混频器的CWD波束成型接收机 273

6.4.4 集成的八通道超声接收器MAX2079 274

6.5 用于数字化X射线探测器的64通道模拟前端 276

6.6 电测量模拟前端 276

6.6.1 电池测量模拟前端 276

6.6.2 单芯片电表模拟前端 283

6.6.3 单相电表片上系统（SoC） 284

6.7 通信模拟前端电路 286

6.7.1 电力线通信模拟前端 286

6.7.2 10位7.5 Msps超低功耗模拟前端 289

6.7.3 10位45 Msps全双工模拟前端 290

6.8 数据采集系统 292

6.8.1 带有ADC、 DAC的16位数据采集系统 292

6.8.2 16位1 Msps逐次逼近型模数数据采集系统 292

参考文献 297