德州仪器高性能模拟器件在高校中的应用及选型指南V2.0.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：23.60M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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工业模拟信号的注意点

单端电压输入与运算放大器

TI的主要工艺

采用不同工艺对运放参数的影响

如何选择正确的高精度运算放大器

推荐使用的TI的精密运算放大器

程控增益放大器

微弱电流检测

检测的电流可能跨度较大

4-20mA 的电流接收端

单端信号采集与SAR 型ADC

采样

共模电压、差模电压与差动/仪表放大器

推荐使用的TI差动放大器

推荐使用的TI公司的仪表放大器

未标题

德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南黄争编著德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部 2012 年 6 月 1

前言作为世界领先的半导体产品供应商，TI 不仅在 DSP 的市场份额上有超过 65％占有率的绝对优势；在模拟产品领域，TI 也一直占据出货量世界第一的位置。而本手册是针对中国大学中创新和科研应用的简化选型指南，帮助老师和同学们快速了解TI 的模拟产品。需要提醒大家的是，这本手册仅仅涵盖了 TI 模拟产品的一小部分，如果您需要更为全面细致的选型帮助和技术文档，请访问 www.ti.com/analog 以获取运算放大器，数据转换器，电源管理，时钟，接口逻辑和 RF 等产品信息，访问 www.ti.com/mcu 以获得更多 MSP430,Stellaris 和 C2000 的产品信息。本手册将分为以下几部分介绍 TI 的产品和在大学生电子设计竞赛中的一些解决方案：第一章: 介绍 TI 概况；第二章：介绍 TI 精密信号链产品；包括精密运算放大器，SAR 和 Delta-Sigma ADC及工业现场中的信号调理、采集和传输；第三章：介绍精密信号链中的噪声问题和应对方案（略）；第四章：介绍TI 高速信号链产品；包括高速运放、流水线型 ADC 及通信系统中的信号调理、采集和传输；第五章：介绍高速运放和 ADC 中的 PCB 设计（略）；第六章：介绍 TI 的电源产品；包括一次电源，低功耗系统供电和中小功率供电方案；第七章：介绍如何有效地对开关电源进行布局和 PCB 设计（略）；第八章：介绍 TI 单片机家族简介；第九章：介绍 TI 在设计和仿真阶段提供的一系列免费设计工具和技术文档索引；第十章：模拟设计小技巧集锦；附录：本手册中的芯片汇总。本手册主要着眼于选型，因此一些涉及深入的技术细节的章节在本手册中略去，大家可以参考我们的培训 PPT。本手册所附的光盘里含有这些培训资料、本手册中模拟和单片机的应用笔记、各系列单片机的设计文档、Protel 格式的原理图和 PCB 图以及各种源代码、历年 TI 杯单片机大赛作品集，电子设计大赛优秀论文选,CCS 软件，StellarisWare 等等，共计 4.5GB。希望大家能充分利用这些设计资源。最后，由于作者水平有限，请大家积极给予反馈，帮助我们修正手册中的错漏。欢迎大家发邮件给 frank-huang@ti.com 讨论手册中的各种问题。 TI 中国大学计划 Frank Huang (黄争) 2012 年 6 月 3

目录前言 ..................................................................................................................................................1 第一章 TI 概览 ..............................................................................................................................7 第二章精密信号链 ......................................................................................................................10 2.1 PLC 系统中的模拟输入接口.......................................................................................11 2.1.1 单端电压输入与运算放大器..............................................................................11 2.1.2 单端电流输入与运算放大器..............................................................................16 2.1.3 单端信号采集与 SAR 型 ADC..........................................................................18 2.1.4 SAR 型 ADC 的设计技巧 ................................................................................26 2.1.5 共模电压、差模电压与差动/仪表放大器.........................................................30 2.1.6 利用 Delta-Sigma 型 ADC 简化设计 .................................................................44 2.2 PLC 系统中的模拟输出接口.......................................................................................51 2.2.1 R-String DAC 与单极性信号输出..................................................................52 2.2.2 MDAC 与双极性信号输出.............................................................................54 2.2.3 PWM 信号与 DAC..........................................................................................57 2.2.4 4-20mA 发送器 ...............................................................................................65 2.2.5 功率放大器和 PWM 功率驱动器 ..................................................................66 2.2.6 数字隔离、低功耗射频和接口......................................................................69 2.3 PLC 系统中的电源 ......................................................................................................70 2.4 信号链小结和精密信号链命名规则............................................................................71 第三章精密信号链中的噪声问题 ..............................................................................................73 第四章高速信号链 ......................................................................................................................73 4.1 高速放大器链路 .............................................................................................................73 4.1.1 Bipolar & FET 输入的高速放大器......................................................................75 4.1.2 电压反馈、电流反馈和去补偿型高速放大器..............................................76 4.1.3 电压控制增益可变放大器..................................................................................85 4.1.4 功率放大级：宽电压 CFB 和宽带缓冲器 ........................................................88 4.1.5 自动增益控制......................................................................................................90 4.2 高速 ADC 和全差分放大器............................................................................................91 4.2.1 高速数据采集系统中的时钟..............................................................................97 4.2.2 驱动高速 ADC 的模拟输入 ..............................................................................104 4.2.3 使用 FFT 测试高速 ADC...............................................................................117 4.3 电流引导型高速 DAC..................................................................................................122 4.4 其他高速器件 .............................................................................................................123 4.5 高速器件总结 .............................................................................................................126 第五章高速放大器的稳定性和 PCB 设计...............................................................................127 第六章 TI 电源产品简介与选型指南 ........................................................................................127 6.1 AC/DC 和中间级 DC/DC 产品 ....................................................................................128 6.1.1 PFC 电路 ............................................................................................................129 6.1.2 AC/DC 和中间级 DC/DC 的 PWM 功率控制器..............................................132 6.2 POL 中的低压差线性稳压器 ....................................................................................135 6.3 POL DC/DC 开关稳压器...........................................................................................145 4

6.3.1 电感式开关稳压器............................................................................................145 6.3.2 电容式开关稳压器............................................................................................152 6.4 LED 驱动电路 ...............................................................................................................155 第七章开关电源中的 PCB 设计...............................................................................................163 第八章 TI 单片机简介与 Stellaris 入门指南.............................................................................163 8.1 MSP430 简介与选型指南 ..........................................................................................163 8.2 C2000 简介与选型指南..............................................................................................166 8.3 M3 简介与入门指南...................................................................................................168 第九章模拟设计软件和应用笔记索引 ....................................................................................170 9.1 FilterPro 和有源滤波器设计技巧................................................................................170 9.2 POL 电源设计软件：SwitcherPro...........................................................................177 9.3 TINA-TI ：运算放大器的稳定性判断......................................................................179 9.4 应用笔记索引 ...............................................................................................................180 9.4.1 信号链应用笔记索引......................................................................................180 9.4.2 电源类应用笔记索引......................................................................................185 9.4.3 MSP430 应用笔记索引...................................................................................192 9.4.4 C2000 应用笔记索引......................................................................................195 9.4.5 Stellaris 应用笔记索引....................................................................................196 第十章模拟设计小技巧集锦 ....................................................................................................197 作者简介 ..............................................................................................................................199 前言 ......................................................................................................................................200 CMOS 运放的 THD+N.......................................................................................................201 单电源运放的轨到轨输入 ..................................................................................................203 输出达不到轨到轨 ..............................................................................................................207 放大器的输入偏置电流 ......................................................................................................212 滤波器及其在信号链中的位置 ..........................................................................................214 三种可选的抗混叠滤波器 ..................................................................................................216 选择抗混叠滤波器中的运算放大器 ..................................................................................218 Sallen-Key 低通滤波器的高频馈通现象...........................................................................220 使用隔离电阻驱动容性负载 ..............................................................................................227 硅光感器件：电子世界的眼睛 ..........................................................................................229 跨阻放大器的稳定性问题 ..................................................................................................231 跨阻放大器的应用：脉搏血氧计 ......................................................................................233 跨阻放大器的噪声问题 ......................................................................................................235 跨阻再次罢工：利用 MDAC 实现电流电压转换 ............................................................237 电压反馈和电流反馈型放大器：反馈电阻和带宽...........................................................239 深入理解 FFT（快速傅里叶变换）图..............................................................................247 ADC 的 SNR 意味着什么？...............................................................................................249 ADC 中的 SNR：位数去哪了............................................................................................251 ENOB 能说明一切吗？ ......................................................................................................255 你的转换器是精确的吗？ ..................................................................................................257 在软件中解决高信号源阻抗引起的误差 ..........................................................................259 SAR-ADC 应用要点............................................................................................................265 为 SAR 转换器输入充电 ....................................................................................................267 5

ADC 的电压参考误差影响满量程输入转换.....................................................................270 ADC 位数和 LSB 误差 .......................................................................................................272 欠采样突破奈奎斯特定律 ..................................................................................................275 时钟抖动对欠采样应用的影响 ..........................................................................................282 比较各种 DAC 架构............................................................................................................284 提高 DAC 的精度................................................................................................................286 DAC 毛刺产生的原因.........................................................................................................288 △-∑ ADC 简介：总览....................................................................................................290 △-∑ADC 简介：调制器...................................................................................................291 △-∑ADC 简介：抽取滤波器............................................................................................293 △-∑ADC 简介：噪声与输出数据速率............................................................................295 SAR 型与高速△-∑ADC 的选择.....................................................................................297 模拟滤波器让 △-∑ADC 更加简单.................................................................................299 频域分析帮助理解△-Σ转换器 ........................................................................................301 动态平均数字滤波器的作用 ..............................................................................................303 扔掉这些比特 ......................................................................................................................305 △-Σ型 ADC 的信噪比 ........................................................................................................307 ADC 的时延与建立时间的不同.........................................................................................309 Δ-Σ型转换器中的多路复用 ............................................................................................315 有效值和峰峰值噪声的折中 ..............................................................................................317 为 ADC 选择相匹配的运算放大器....................................................................................319 理解波峰因子 ......................................................................................................................321 精度的几种情况 ..................................................................................................................329 巩固你的噪声解决方法 ......................................................................................................332 从三个方面来解决噪声问题 ..............................................................................................334 保护你的电路免于 ESD......................................................................................................335 旁路电容：这里没有魔法 ..................................................................................................338 如何作出最正确的元件选择 ..............................................................................................340 运行失常时，听听系统的心跳是否正常 ..........................................................................342 低功耗设计中的原则和技巧 ..............................................................................................344 PCB 设计时应留意数字和模拟布局..................................................................................346 从脉冲宽度调制（PWM）信号到直流信号 ....................................................................348 新的一年，更新你的手册 ..................................................................................................352 TINA-TI 应用实例：运算放大器的稳定性分析..............................................................354 5.1 运算放大器为什么会不稳定？..........................................................................354 5.2 分析运算放大器的工具：波特图......................................................................356 5.3 断开交流反馈环路以获得 Aol 和 1/β 的波特图的方法....................................361 5.4 使用 TINA-TI 判断运放的稳定性....................................................................363 5.5 修改 Aol 的补偿方法：添加 RISO ......................................................................371 5.6 修改 1/β 的补偿方法：增大噪声增益和添加 CF.............................................374 6

第一章 TI 概览德州仪器公司，Texas Instruments，即 TI，是总部在美国德克萨斯州的一家高科技企业。实际上 TI 的中文名字并不是特别的“清晰明了”，一方面是容易跟咱们的山东德州（因扒鸡而闻名）混淆；另一方面，我曾被问到，参加你们的大学计划，买示波器这类“仪器”打几折？在这些令人哭笑不得的问题背后，其实是 TI 近 80 年的悠久历史。德州是美国的主要石油产地， 1930 年 TI 的前身“Geophysical Service Inc.”在德州成立时的主要目的是研发地震仪和石油探测仪器，因此 GSI 在 1950 年正式上市时就挑中了德州仪器这个名字。这也就是 TI 名字的由来。在 1958 年，TI 的工程师 Jack Kailby 先生发明了世界上首颗集成电路芯片，这项发明为人类进步做出了巨大的贡献， Jack Kailby 先生也因此在 2000 年获得了诺贝尔物理学奖。从此，半导体业务开始在 TI 发芽。但是，60/70 年代的美国企业追求的是大而全， TI 也不例外，拥有非常多的业务部门，这种情况一直持续到 90 年代中期。在这 30 年间， TI 在半导体研发方面一直保持着创新，从第一颗单芯片微处理器，到最简单的数字语音合成芯片“spell & speak”，到 1982 年的第一个单芯片数字信号处理器（DSP），到 1993 年发明的数字光源处理技术（DLP）片，半导体业务开始在 TI 的营收中占据着越来越重要的地位。在 1995 年的时候，TI 的营收达到了 130 亿美元，成为过百亿美元的财富 500 强，但有些业务在市场的排名并不十分理想，比如，笔记本电脑排名第九，企业软件排名第十，打印业务排名第九，国防工业排名第十，惟一排到第一位的就是 DSP 业务。面对更大的竞争和即将来临的网络时代，TI 高层锐意变革，在 90 年代初就非常有远见的提出了要做“数字时代的领导者”。1996 年 Tom Engibous 出任 TI 总裁，确定了 TI 的重点在半导体业务上，重中之重是 DSP 和 Analog。在 1996 年到 2000 年间，TI 连续卖出了 20 余家公司，又买入了 20 余家，完成了从多样化业务到半导体专营业务的转变。从此， TI 的半导体业务进入了高速发展期，在 DSP 方面，业界最快的 TMS320CC6000 系列、功耗最低的 TMS320C55xx 系列、第一颗运算速度超过 1GHz 的 C64x、第一颗 ADSL 调制解调芯片、 ARM+DSP 双核架构的 OMAP 处理器等一系列领先产品的推出，使得 TI 在 DSP 领域奠定了世界第一的地位。在模拟方面，TI 在 2000 年以当时创纪录的 60 亿美元收购了以设计和制造高端运放和数据转换器著称的 Burr-Brown 公司，这项收购非常大胆，因为当时 TI 的年收入也只有 130 亿美元。但是这也充分说明了模拟在 TI 战略中的重要性。接下来 TI 又收购了 Unitrode、 Power Trends 等公司来壮大自己的电源方面的实力。在 2007 年，TI 收购了 Chipcon，在低功耗无线通信领域又占据了市场份额第一的位置。在单片机方面，TI 在 90 年代末把 MSP430 从专供表类客户的应用中推到通用市场，其业界最低的功耗，集成的高性能模拟和数字外设都倍受客户青睐；C2000 数字信号控制器 7

因为其 DSP 的性能，单片机的价格被誉为实时单片机；而在 2009 年 TI 收购了 Luminary Micro，以最快的方式拥有了 Cortex M3单片机家族，TI M3因其低廉的价格，通用的架构，不俗的性能在单片机市场上迅速占领了一席之地。从下面的系统框图中，我们可以清楚看到 TI 在每一个电子系统的每一个角落都占据着业界数一数二的地位。而正因为持续不断的创新和进取，TI 连续 7 年被《财富》杂志评为全球和全美国最受尊敬的半导体公司，评分远超其他半导体企业。 #1 DSP #3 MCU #1 ARM 数字信号处理是对理论和实践都要求极高的一门学科，采样理论，谱分析，滤波器设计，抽取，小信号提取，这些概念和算法包含了一大堆让人头晕眼花的数学公式。推导这些理论已经够让人头疼，那么怎么实现它们呢？TI 从第一颗 TMS32010 问世开始就一直致力于简化工程师实现数字信号处理算法的难度。1996 年 TI 进入中国设立办事处，当时中国熟悉 DSP 理论的人越来越多，但是如何使用硬件来实现这些理论却是个巨大的挑战。TI 管理层敏锐察觉到这个问题，抓住时机在中国高校中开展 TI DSP 大学计划，并在 1998 年和教育部签订谅解备忘录，承诺在中国高校中投资建立 100 个 DSP 实验室，帮助中国高校掌握和应用世界领先的 DSP 技术。10 余年后，截至 2009 年，TI 已在中国的 180 余所大学里建立了 200 余个 DSP 技术实验室，每年这些 DSP 实验室将培养 24000 余名本科生及硕士研究生；共有 200 余本专门为 TI TMS 系列 DSP 撰写的教材出版；2000 余篇论文和 500 余项科研成果从实验室里诞生；TI 的 DSP 大学计划可谓是硕果累累。同时，TI 举办的两年一度的 DSP 大奖赛也成为 DSP 领域的名牌竞赛，这项竞赛代表了中国高校 DSP 的最高技术水平，获奖同学拿着 TI 颁发的奖状受到产业界的充分肯定和欢迎。 2007年10月，TI CEO理查德.谭普顿先生来访中国，宣布核心大学计划在中国正式启动，这标志着TI将继续扩大对中国教育界的投入，比如TI中国大学计划将正式扩展到模拟技术和单片机领域，与高等学校进行合作，通过建立学生模拟创新实验室、对教师进行模拟技术和 8

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