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模拟前端学习指南杨建国2009-06目录•器件简介•放大器关键参数解读•常见电路和应用场合•器件选择的基本原则•模拟前端的设计和调试方法器件简介（一）：通用运放•除廉价外，没有任何最优指标的运放。•μA741,LM324,TL084,LM358,NE5532等。•有单一运放、双运放、四运放等形式。•有不同的封装类型。器件简介（二）：高速运放•主要表现在GBW,SR较大。•有电流反馈型和电压反馈型两类。•电流反馈放大器的优点是，具有更高的压摆率，其增益和带宽是独立的，无“频率越高，增益越小”的限制。•电流反馈放大器的稳定性较差，不能做成常见的跟随器设计，需要缜密的稳定性设计。器件简介（三）：高精密运放•低噪声运放–主要表现在Vn指标较小。1nV~20nV/√Hz@10kHz–噪声计算在器件参数解读中讲解。–噪声是固有的，随机的，本身无法消除的。–在放大小信号时，必须选用低噪声运放。–OPA211器件简介（三）：高精密运放•高阻（低输入偏置电流）–FET输入较好–提供很小的输入偏置电流，0.1pA～10pA。–OPA129,0.1pA–OPA337,10pA–用于精密电流检测，以及其它需要低偏置电流的场合。器件简介（三）：高精密运放•低功耗–主要表现在静态电流Iq较小上。–OPA369,1.1uA静态电流Iq–TLV2401,0.95uA–一般低功耗运放，其它指标相应较差。器件简介（三）：高精密运放•低失调电压运放–有两个指标对此重要，VIO，一般为1uV以上，OffsetDrift，0.01uV/℃–失调是运放本身存在的，但是外部可调。–温漂却很难控制。器件简介（三）：高精密运放器件简介（三）：高精密运放•宽带–与高速运放相比，速度较低，一般在150MHz以下，但失调和噪声更小。型号GBW(MHz)SR(V/us)VIO(mV)OffsetDrift(uV/C)Vn@1kHz(nV/√Hz)价格OPA3011508052.53$1.6OPA36550250.2113$0.95OPA435344228518$2.9器件简介（三）：高精密运放–轨至轨（RailtoRail）•输入电压，特别是输出电压可以与电源电压（像轨道一样约束着）非常接近，几乎达到满电源输出。•分为RRI，RRO，RRIO三类，一般不单独归类。•在低压供电中非常有用。器件简介（四）：差动放大器–抑制共模，放大差模，提高CMRR–标准减法电路即可，但对称性非常关键–集成产品解决对称性问题–可以2/3输入（放大），也可5/1输入（衰减）。•优点–左边的放大，下面的衰减。–下面的可以承受高的共模电压。UidUicUidUicUout＝－Uid×（10k/100k）•缺点–输入电阻较小–增益难以调节，固定的10倍或者0.1倍。–仪表放大器应运而生。器件简介（五）：仪表放大器–在差动放大器的前端增加跟随器，形成典型的三运放结构。–增益可通过外部电阻调节；输入电阻很高；极高的CMRR。–不能接受太高的共模电压。•自归零技术，使得输入偏置电压很低，25uV；•输入端内部具有射频抑制；•较高的共模抑制比100dB；•输入电阻很高，增益在1～1000之间可调。器件简介（六）：全差动放大器–输入有两种，单端和差动，输出也有两种，单端和差动。单出双出单入一般运放电路（全差动）双入仪表/差动全差动–用于入出类型转换，以及纯差动信号链中。–广泛用于高速差分ADC的前端。注意VOCM，共模电压输入，可以悬空，也可以由ADC等提供，其含义是通过此脚电压输入，控制输出差动信号的共模量。器件简介（七）：电流并联检测器–电流检测的方法有直接法和间接法两种。–间接法利用霍尔传感器，一般测大电流。–直接法将一个电阻串在回路中，并联测量其电压差以表征电流。–有高端检测(HighSide)和低端检测(LowSide).HighSidemonitorLowSidemonitor器件简介（七）：电流并联检测器–低端检测用一般的精密放大器即可。但对被测的负载影响不容忽视，因为其“GND”不再稳定。–高端检测不影响GND，但面临的问题是，可能遇到很高的共模电压，因此有专用的电流检测器来克服这个困难。–一般用毫欧姆～欧姆级的专用电阻。MSP430器件简介（八）可编程增益放大器PGA–一般具有归整的增益，常见有1、2、4、8……128，或者1、2、5、10、20……–有并行控制的，有串行控制的，基本都能与现有控制器很好的对接。器件简介（九）：压控增益放大器器件简介（十）：集成滤波器–与运放组成的滤波器相比，集成滤波器优点：•方便。•准确。一般不需要用户选择电容—设定参数靠频率或者电阻。•体积小，各模块参数一致性好，更易形成相同截止频率的高阶滤波器。•可控性较好。–缺点：有些存在频率噪声，对小信号滤波不利；价格较高；灵活性有时较差。–外部器件设定截止频率型——非程控；–Pinprograme数字量设定频率型——程控；–Clockprograme频率控制截止频率型——程控；–continuous-time型无需CLK，开关电容型需要fCLK–这两个都是continuous-time型，noclockin，noclocknoise。每个都有2组/4组二阶滤波器组成。串联可以形成4阶或者8阶的滤波效果。–274具有4组，但FC脚只有一个。275具有2组，有2个独立的FC脚。–所有的频率点，Q值，都由外部电阻设置。–一般截止频率上限为150kHz~300kHz，下限是100Hz。–半程控，当外接振荡源改变fclk时，如果RC参数不变，则引起Q改变。–COSC可以接外部振荡源fclk，也可接电容内部产生fclk.–截止频率fc＝fclk/(100,200,400可选，取决于D（÷）接V+,GND,V-)–上面的RC决定滤波幅频特性的形态，一般选1/2πRC=1.62fcUniversal/Pin和R共同控制。CLOCK控制型•这类纯CLOCK型，为低通，有不同的滤波类别和阶数。一般为8阶、5阶。•含巴特沃思、切比雪夫、贝赛尔、椭圆等。器件简介（十一）：模拟乘法器•实现两个模拟电压的相乘关系。•AD633：W=0.1*(X1-X2)*(Y1-Y2)+Z模数转换器ADC•以给定参考电压为基准，将模拟量电压转换成对应数字量输出的器件。•分类–从分辨率上分为6位、8位、10位、12位、14位、16位、18位、24位等。–结构上分为•SAR(逐次逼近型）：速度较快，位数较高•流水线型：速度快，位数较高•Sigma-delta型Σ-Δ：速度较慢，位数最高•双积分型（用于万用表测量）：速度极慢，位数高。•并行比较型：速度最快，位数低。–速度上1Sps～1GSps。一般的1MSps，16位以下。ADC分类续•输入分为：（单端输入型、伪差分输入、差分输入型）•输入范围分为：（双电源型、单电源型）•输出分为：（并行输出型、串行输出型）•采样率分为：（半固定采样率、任意采样率）•基准源（内部基准型、外部基准型）•通道–单通道型–单通道复用多输入型–多通道型伪差分ADS8319TLC0831/08328位，SAR逐次逼近型，速度600k/8=75kSps差分输入，单电源输入串行SPI输出采样率任意外部基准单通道8位，SAR逐次逼近型，速度600k/8=75kSps单端输入，单电源输入串行SPI输出，串行SPI控制采样率任意内部基准双通道MAX114基于并行比较型的流水线型，8位ADC单端输入，单电源，并行输出，任意采样率，外部基准，单通道复用多输入。ADS8308位流水线差分输入单电源型并行输出任意采样率内部外部可选基准单通道TLV254112位低速6脚差分含PGA的IIC接口ADCLTC2393-16ADS832016BitADS1254CS5368DAC介绍ADC关键指标DAC关键指标ADC的输入电平移位（正负10～0－3）差分入到单端出0－5V单入到差分出单入到差分出模块单入到差分出全差分CS5368输入电路C121和R135/R119形成的典型电路：驱动容性负载，防止振荡，抗混叠C143和R102形成高通滤波电路，截止频率为1/pi(R102)(C143)VBIAS12为2.5V跟随器输出，或者是5368输出基准。输出差分信号围绕2.5V波动。AD7767输入电路ADS1244输入电路ADC的抗混叠滤波ADC的采样保持ADC的电压基准设计DAC的输出看懂数据表——参数和图•不细致看Datasheet就直接使用芯片，是一个坏习惯。•上图输出振荡，为什么呢？220220110UiUoOP37看懂数据表•数据表一般由6部分组成–短句总结–概括页（关键指标，一般描述）–参数表（厂家在特定条件下测得）–指标图–应用（应用场合、典型电路）–封装（制板、购买）•要学会看，看完要有感觉看懂数据表——概括页•可以了解60％的信息，初步确定是否符合。•主要陈述芯片最大的特点。•有些指标，出于商业化考虑，厂家在概括页给出的数据是最优数据，不能全信。•不同公司对指标的叫法不同，要理解。看懂数据表——一般参数(TL081)看懂数据表——一般参数(TL081)看懂数据表——一般参数(OP37)看懂数据表——一般参数（OP37）看懂数据表——讲解关键参数•VOS(VIO)OP37:10~30uV,TL081:3mV–Inputoffsetvoltage输入失调电压–加载在两个输入端之间的电压使得静止输出电压为0或者指定的其它电平。–是器件开环下的参数。•αVIOOP37:0.2~0.4uV/℃,TL081:18uV/℃–Averagetemperaturecoefficientofinputoffsetvoltage输入失调电压平均温度系数–输入失调电流变化相对于气温变化的比值。是指定温度范围内的平均值，用µV/℃表示。•一般调零方法：在调零电位器的配合下，将输入信号设为0（一般是将输入端接地），调电位器使得输出为0。•不同的运放，其调零电路可能不同，主要区别是接-Vcc还是＋Vcc；5/8脚•电位器值，datasheet上有。TI产品ADI产品看懂数据表——讲解关键参数•噪声指标–所谓的噪声指标，是指一个从传感器开始到ADC结束的测量系统，在输入短接接地的情况下，ADC转换结果中出现的不可预测的数值波动的大小。它包括•电阻等无源器件产生的噪声；•运放产生的噪声；•电源等引入的噪声；•ADC本身的噪声（输入为0，AD转换结果有波动）–对成品实施测量可以获得噪声指标，但对设计电路进行噪声指标的估算更为重要。一个噪声估算的实例V+V-V+V-10kΩ10kΩRI-1接地共模入阻10k/10M差模入阻20k/20MOPA227OPA227INA114高通-1+5VA-5VA~±5V~±5V-5VA+5VA低通跳过陷波器和模拟开关0.13×sqrt(R)×sqrt（12000）＝1.424uVrms3.5×sqrt（12000）＝0.383uVrms0.4pA×10k×sqrt（12000）＝0.42uVrms总运放sqrt（0.3832＋0.422）＝0.56uVrmssqrt(1.4242+0.562)＝1.53uVrms60×sqrt（12000）＝6.6uVrms18×sqrt（12000）＝2uVrms1kΩ820Ω1kΩ820Ω一个放大器＋ADC的噪声实测结果估算系统噪声的方法•计算每个运放的等效输入噪声•计算每个电阻产生的噪声•计算ADC的噪声•从噪声的起源开始，考虑放大器的增益，一直计算到ADC的输出。ADCv1v2v3v4v5v6A1A2)(2113VVAV)(4325VVAV65VVVOUT)/(21AAVVOUTINPUT运放等效输入噪声电压ei•不同的运放具有不同的噪声指标•运放的等效输入噪声与以下因素相关–等效噪声带宽（与用户设计电路有关）–噪声电压密度曲线（nV/√Hz）–噪声电流密度曲线（pA/√Hz）–相关外部电阻（根据欧姆定律将噪声电流转换成噪声电压，与用户选择电阻有关）•因此，厂家只能给出两条曲线，而不可能给出具体的