模拟信号调理技术2011

1、模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术1模拟信号调理技术模拟信号调理技术 1 引言引言2 信号放大技术信号放大技术 3 开关滤波技术开关滤波技术 4 高速高分辨率高速高分辨率A/D技术技术5 模拟调理技术的新趋势模拟调理技术的新趋势主讲：田社平（主讲：田社平（）模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术21 引言引言1.1 模拟信号调理技术模拟信号调理技术要求：要求：p正确度正确度 低噪声与高抗干扰能力；低漂移与高稳定性；合低噪声与高抗干扰能力；低漂移与高稳定性；合适的通频带；线性；合适的输入输出阻抗适的通频带；线性；合适的输入输出阻抗p响应速度响应速度 好的频率特性和高的响应速度好的频率特性和高的响

2、应速度p可靠性可靠性 简化电路结构以提高可靠性简化电路结构以提高可靠性p经济性经济性 优良的性能与低廉的价格优良的性能与低廉的价格模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术31.2 信号调理电路的类别信号调理电路的类别p基本运放电路：放大、单位换算、隔离输入、失调去除基本运放电路：放大、单位换算、隔离输入、失调去除p变换电路：滤波、变换电路：滤波、A/D、V/Fp调制解调电路：调制解调电路：p高等运算电路：微分、积分（空间与时间）、同步相加高等运算电路：微分、积分（空间与时间）、同步相加p比较电路：阈值比较电路：阈值p补偿电路：校正、补偿、去除噪声补偿电路：校正、补偿、去除噪声p控制电路：零位法计测

3、、伺服型计测控制电路：零位法计测、伺服型计测p驱动电路：恒压源、恒流源、驱动信号补偿驱动电路：恒压源、恒流源、驱动信号补偿模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术41.3 电路的一般分析方法电路的一般分析方法p S域分析方法：线性电路域分析方法：线性电路p 工程分析方法：具有简便性工程分析方法：具有简便性p 数值分析方法：便于理解电路性质数值分析方法：便于理解电路性质p EDA技术：技术：Protel、Orcad、Multisim、Proteus等等模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术5文氏振荡器文氏振荡器111( )( )11oofRRRCsUsUsRRRRCsRCs1222111112( )0

4、fofffRRRRR C sRCsUsRRRRRR11,221fRRsjRC 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术6文氏振荡器文氏振荡器1021fRRRC模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术7文氏振荡器文氏振荡器2112o1()fRk Rk uu10o1220o122o01112o121o1o12121o1(2)()()2()(2)2()duuuudtduuuudtduRk Rk uuk u uuuuudtRk u uu模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术801121o262.8rad/s,1k ,3,20,(0)(0)0V,(0)0.1VRkkuuu01121o262.8rad/s,1k ,

5、2.1,2,(0)(0)0V,(0)0.1VRkkuuu模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术901121o262.8rad/s,1k ,2.1,20,(0)(0)0V,(0)0.1VRkkuuu01121o262.8rad/s,1k ,2,20,(0)(0)0V,(0)1VRkkuuu模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术10模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术112.1 概述概述 1、 几个基本概念几个基本概念等效电路等效电路共模电压、差模电压（常模电压）共模电压、差模电压（常模电压）差模放大倍数、共模放大倍数差模放大倍数、共模放大倍数共模抑制比共模抑制比2 信号放大技术信号放大技术模拟小信号

6、调理技术模拟小信号调理技术122、集成运算放大器、集成运算放大器 3、比例放大电路、比例放大电路 121URAR 虚短虚短 虚断虚断 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术131fURAR Of SuR i 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术1421()ffOSRRuuuuRR 4、仪用放大电路、仪用放大电路 12OffuuuuRRuuuRRuu1o21g2(1)()RuuuR模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术155、集成运放使用时应注意的事项、集成运放使用时应注意的事项 按照说明书辨认管脚，以便正确路线。按照说明书辨认管脚，以便正确路线。参数测量：用万用表测试有无断路或电路现象，必要时，参

7、数测量：用万用表测试有无断路或电路现象，必要时，采用测试设备测量其主要参数。采用测试设备测量其主要参数。 调零或调整偏置电压：内部或外加调零电路，使输入为零调零或调整偏置电压：内部或外加调零电路，使输入为零时输出为零；对于单电源运放，有时要在输入端加直流偏时输出为零；对于单电源运放，有时要在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态工作点。置电压，设置合适的静态工作点。消除自激振荡。消除自激振荡。模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术165、集成运放使用时应注意的事项（续）、集成运放使用时应注意的事项（续） 保护措施保护措施防止差模信号过大防止差模信号过大防止共模信号过大防止共模信号过大模拟小信号调理

8、技术模拟小信号调理技术175、集成运放使用时应注意的事项（续）、集成运放使用时应注意的事项（续） 保护措施保护措施输出保护输出保护（电阻限流，稳压管限幅）（电阻限流，稳压管限幅）电源保护电源保护（防止电源接反）（防止电源接反）模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术185、集成运放使用时应注意的事项（续）、集成运放使用时应注意的事项（续） 输出扩展输出扩展提高输出电压提高输出电压提高输出电流提高输出电流模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术192.2 高输入阻抗放大器高输入阻抗放大器1. 高输入阻抗放大器的形式及屏蔽高输入阻抗放大器的形式及屏蔽由通用放大器构成自举电路；由通用放大器构成自举电路；直接

9、采用单片的高输入阻抗放大器直接采用单片的高输入阻抗放大器屏蔽：减少周围的漏电流流入高输入阻抗而形成干屏蔽：减少周围的漏电流流入高输入阻抗而形成干扰扰电压跟随器电压跟随器模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术20同相放大器同相放大器反相放大器反相放大器模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术212 .自举式高输入阻抗放大器自举式高输入阻抗放大器同相交流放大器同相交流放大器交流电压跟随器交流电压跟随器模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术22自举式组合电路自举式组合电路31oiRuuR 3112331222oiiRRRuuuuRRR 222222iiiiuuuuuiRRR111iiuuuiRR211212

10、12iiiuuRRiiiuRRR R1221iiuR RRiRR模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术233. 单片式高输入阻抗放大器单片式高输入阻抗放大器根据要求直接选用相应的芯片（根据要求直接选用相应的芯片（1014量级）量级）如：如：p采用采用MOS-FET作为输入级：作为输入级：CA3140、CA3260p采用采用FET作为输入级：作为输入级：LF356/A、LF412、LM310（性能较（性能较MOS-FET稳定）稳定）pCMOS型：型：ICL7613、F7613（具有过压保护和补偿电路）（具有过压保护和补偿电路）模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术24举例：举例：AD549，AD71

11、1(低成本低成本)特点：特点： 极低的输入偏置电流：极低的输入偏置电流： 60 fA max (AD549L) ；250 fA max (AD549J) Input-bias current guaranteed over common-mode voltage range 低失调电压：低失调电压： 0.25 mV max (AD549K) ；1.00 mV max (AD549J) 低温度漂移：低温度漂移： 5 V/C max (AD549K)；20 V/C max (AD549J) 低功耗：低功耗： 700 A max supply current 低输入电压噪声：低输入电压噪声： 4 V

12、 p-p 0.1 Hz to 10 Hz 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术25框图框图模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术26应用：应用：调零电路调零电路模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术27应用：应用：反相放大（反相放大（8脚接屏蔽层以减少共模干扰）脚接屏蔽层以减少共模干扰）模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术28应用：应用：同相放大（同相放大（8脚接屏蔽层以减少共模干扰）脚接屏蔽层以减少共模干扰）模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术29应用：应用：保护电阻保证信号源对反相端的过载冲激电流保护电阻保证信号源对反相端的过载冲激电流小于小于1mA。模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术30应

13、用：应用：跟随器跟随器模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术312.3 高精度仪表放大器高精度仪表放大器1. 概述概述1122(1)OUguRAuuR 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术32可编程单片仪用放大器可编程单片仪用放大器AD612 801UgAR 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术332. 高精密仪表放大器高精密仪表放大器LTC6915基本特性基本特性14级可编程的增益级可编程的增益与增益无关的与增益无关的125dB CMRR增益准确度：增益准确度：0.1(典型值典型值)最大失调电压：最大失调电压：10V最大失调电压漂移：最大失调电压漂移：50nV轨至轨输入和输出轨至轨输入和输出用

14、于增益设置的并行用于增益设置的并行 和串行和串行(SPI)接口接口工作电源：工作电源：2.7V至至5.5V典型噪声：典型噪声：2.5 Vp-p (0.01Hz至至10Hz)采用采用16引线引线SSOP和和 12引线引线DFN封装封装模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术34模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术35132102()noutinBVVnD D D D并行方式并行方式1模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术36并行方式并行方式2模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术37串行方式串行方式模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术38CLK上升沿读数据；上升沿读数据；CS置低前置低前CLK须为低须为

15、低串行方式串行方式模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术39模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术40串行方式（菊花链）串行方式（菊花链）模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术41串行方式（菊花链）串行方式（菊花链）模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术42设定设定REF引脚的电压引脚的电压R1、R2应远远小于32k（5k或更小）；或采用电压基准设定Vref。模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术432.4 SOC：ispPAC系列系列1. 概述概述ispPAC到目前为止已推出了多种到目前为止已推出了多种:ispPAC10：信号的调理和滤波：信号的调理和滤波 ispPAC20：信号的转换和监视：信号的转

16、换和监视 ispPAC30：通用的模拟前端：通用的模拟前端 ispPAC80/81 ：实现多种类型的滤波器电路：实现多种类型的滤波器电路 ispPAC-Power604/1028/1028P1：电源设计：电源设计ispPAC-CLK5510/5520/5620：CLK电路设计电路设计模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术44ispPAC的特点的特点:pisp技术可以在器件被焊接在电路板上的情况下技术可以在器件被焊接在电路板上的情况下对系统编程或重构对系统编程或重构p改变设计时，无需改动元器件或印制板，只需改变设计时，无需改动元器件或印制板，只需通过通过Lattice的开发系统软件在数分钟内即可完

17、成的开发系统软件在数分钟内即可完成p虽然设计的是硬件，却像软件一样方便，这就虽然设计的是硬件，却像软件一样方便，这就缩短了设计试制的周期，降低了试制成本，省去缩短了设计试制的周期，降低了试制成本，省去了编程器等设备和器件插拔的手续，是一种全新了编程器等设备和器件插拔的手续，是一种全新的设计方法的设计方法pIspPAC器件的出现必将使电子系统设计、生产、器件的出现必将使电子系统设计、生产、维护及更新诸环节发生革命性的变化维护及更新诸环节发生革命性的变化模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术45ispPAC芯片的输入电平：芯片的输入电平：模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术462. ispPAC10

18、ispPAC10内部结构框图内部结构框图 .每个每个PAC块均为差分输入、差分输出，块均为差分输入、差分输出，输入阻抗为输入阻抗为109 ，共模抑制比为，共模抑制比为69dB ; .PAC块中电路的增益和特性可以编程块中电路的增益和特性可以编程改变，增益可调范围为改变，增益可调范围为0dB - 40dB ; .输出放大器的电容有输出放大器的电容有128种可选择值，种可选择值，反馈电阻可编程为连通或断开状态反馈电阻可编程为连通或断开状态; .采用采用5V电源供电，内含电源供电，内含2.5V参考电压参考电压; .可自动校准可自动校准; .不需外接电阻、电容即可构造放大器、不需外接电阻、电容即可构造

19、放大器、有源滤波器、求和、求差和积分电路有源滤波器、求和、求差和积分电路; .IEEE1149 0 l JTAG串行编程。串行编程。模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术47ispPACl0内部模拟电路原理图内部模拟电路原理图模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术48ispPACl0内部模拟电路原理图内部模拟电路原理图OUT：差分输出引脚：差分输出引脚IN：差分输入引脚：差分输入引脚VS：电源：电源5VTDI：串行数据输入：串行数据输入TDO：串行数据输出：串行数据输出TMS：测试模式选择：测试模式选择TCK：串行数据输入脉冲：串行数据输入脉冲CMVin：VREFout外部选择输外部选择输 入入1

20、.25V3.25VCAL：自动校准：自动校准GND：地：地VREFout：2.5V参考电压参考电压TEST：测试引脚，应用时接地：测试引脚，应用时接地 ：测试复位引脚：测试复位引脚TRST模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术49ispPACl0的应用举例的应用举例ispPAC10实现电桥增益放大实现电桥增益放大模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术50ispPACl0的应用举例的应用举例ispPAC10实现温度测量实现温度测量模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术51ispPACl0的应用举例的应用举例ispPAC10实现温度测量实现温度测量模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术523. PAC-D

21、esigner软件的使用软件的使用软件下载软件下载:http:/支持的芯片：支持的芯片：ispPAC10ispPAC20ispPAC30ispPAC80/81模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术53软件的界面软件的界面模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术54模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术55模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术56模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术57模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术584阶阶Butterworth滤波器滤波器模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术594阶阶Butterworth滤波器滤波器模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术604. ispPAC20

22、ispPAC20内部结构框图内部结构框图 ispPAC20内包含有内包含有2个个PAC块、块、2个比较器个比较器CP、 1个个数模转换器数模转换器DAC以及模拟布线以及模拟布线区、配置存储器、参考电压、区、配置存储器、参考电压、自校正、自校正、isp接口等电路。接口等电路。 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术61ispPAC20设计图设计图模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术62ispPAC20应用举例应用举例压力测量电路压力测量电路模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术635. ispPAC30ispPAC30内部结构内部结构 IspPAC30器件主要包括四器件主要包括四个可编程增益的差分输

23、入仪表个可编程增益的差分输入仪表放大器放大器IA、两个双端口复用、两个双端口复用器、两个可配置输出放大器器、两个可配置输出放大器OA、两个数、两个数/模相乘变换器模相乘变换器MDAC、两个独立的可编程精、两个独立的可编程精密参考电压密参考电压VREF及非易失配及非易失配置信息存储器、自校正电路等。置信息存储器、自校正电路等。 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术64ispPAC30设计图设计图模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术65ispPAC30应用举例应用举例上下限检测电路上下限检测电路 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术666. ispPAC80/81ispPAC80/81内部内部结构

24、结构模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术67ispPAC80引脚引脚模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术68特点：特点：精密有源滤波精密有源滤波(50 kHz 750 kHz ) ;双配置存储器使得用户可以在不对电路板做任何改动的情双配置存储器使得用户可以在不对电路板做任何改动的情况下，完成两个完全不同的滤波器设计况下，完成两个完全不同的滤波器设计;所有的配置参数均存储在非易失所有的配置参数均存储在非易失E2CMOS存储器中存储器中;在系统可编程模拟电路在系统可编程模拟电路;电路增益可以通过编程改变，增益范围为电路增益可以通过编程改变，增益范围为0dB20 dB;可实现多种形式的滤波器设计可实

25、现多种形式的滤波器设计:Chebyshev . Butterworth、Gaussian、Bessel等等;真正的差分真正的差分I/O，输入阻抗为，输入阻抗为109，共模抑制比为，共模抑制比为58 dB ;失真低，总谐波失真失真低，总谐波失真 - 74 dB ;系统包含大约系统包含大约3000个独立的电容器，相当于个独立的电容器，相当于7个分辨率为个分辨率为912位的可编程电容器，因此设计精度非常高位的可编程电容器，因此设计精度非常高;单电源单电源+5V供电，内部可提供供电，内部可提供2.5V共模参考电压。共模参考电压。模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术69ispPAC80设计图设计图模拟小

26、信号调理技术模拟小信号调理技术70模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术71ispPAC80应用举例应用举例模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术727. 电源管理器件电源管理器件ispPAC-POWR607ispPAC-POWR607内部结构内部结构可监控高达六路电路板电源可监控高达六路电路板电源并提供至多七个开漏数字输并提供至多七个开漏数字输出；采用片上的出；采用片上的16宏单元的宏单元的CPLD和四个可编程的定时和四个可编程的定时器，可产生诸如器，可产生诸如CPU复位等复位等信号，包括脉冲展宽和电源信号，包括脉冲展宽和电源故障中断；七个输出中的两故障中断；七个输出中的两个可以被配置成高压个可

27、以被配置成高压MOSFET驱动器，其余五个驱动器，其余五个输出可以配置成输入；两个输出可以配置成输入；两个通用数字输入，可以用于其通用数字输入，可以用于其它控制功能。它控制功能。 模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术73ispPAC-POWR607典型应用典型应用模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术741、 基本概念基本概念 通带增益通带增益A0谐振频率谐振频率f0、截至频率、截至频率fp 频带宽度频带宽度BW品质因素品质因素Q、阻尼系数、阻尼系数3 开关滤波技术开关滤波技术 3.1 概述概述模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术752、 无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器 101(

28、)(1)1fRARj0011(1)pfRCRAR无源滤波器无源滤波器1( )1Aj RC( )1j RCAj RC一阶有源滤波器一阶有源滤波器R、C对调模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术763、 二阶二阶RC有源低通滤波器有源低通滤波器 0200( )1AAjj0121212221101212001(1)1fR R C CRCR CRCAR R C CRAR 优点：高输入电阻，低输出电阻，优点：高输入电阻，低输出电阻，带负载能力强带负载能力强 。缺点：通带增益不能太高缺点：通带增益不能太高 。模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术774、 二阶二阶RC有源低通滤波器有源低通滤波器 0200(

29、)1AAjj02312122313211233011R R C CR RR RR RCCRR RRAR 优点：通带增益不受限制优点：通带增益不受限制 。缺点：带负载能力弱缺点：带负载能力弱 。模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术785、 其它有源滤波器的设计其它有源滤波器的设计 高通滤波器：与低通滤波器对偶。对二阶高通滤波器：与低通滤波器对偶。对二阶RC低通滤波器，只要把其中低通滤波器，只要把其中的电阻换成电容，电容换成电阻，即可得到二阶的电阻换成电容，电容换成电阻，即可得到二阶RC高通滤波器。高通滤波器。带通滤波器：带通滤波器：带阻滤波器：带阻滤波器：低通高通()A j()A j0()A j

30、()A j0高通低通模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术793.2 开关滤波技术开关滤波技术 1. 基本原理基本原理11 1CqC u112CqC u11CCqqiT121 1211C uC uiTTuuiC1TRC模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术80模拟积分器开关电容积分器模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术812. MAX260/261/262MAX260/ 261/ 262芯片是采用芯片是采用CMOS工艺制造的双列直插工艺制造的双列直插式开关电容通用滤波器。式开关电容通用滤波器。MAX260/ 261/ 262由两个二阶滤由两个二阶滤波器波器(A和和B两部分两部分)、两个可编程、两个

31、可编程ROM及逻辑接口组成，及逻辑接口组成，每个滤波器部分又都包含两个级联的积分器和一个加法器。每个滤波器部分又都包含两个级联的积分器和一个加法器。该电路的主要特性如下该电路的主要特性如下: .配有滤波器设计软件，可改善滤波特性，带有微处理器配有滤波器设计软件，可改善滤波特性，带有微处理器接口接口; .可控制可控制64个不同的中心频率个不同的中心频率fo、128个不同的品质因数个不同的品质因数Q及四种工作模式及四种工作模式; .对中心频率对中心频率f。和品质因数。和品质因数Q可独立编程可独立编程; .时钟频率与中心频率比值时钟频率与中心频率比值(fclk/ fo)可达到可达到1 %( A级级)

32、; .中心频率中心频率fo的范围为的范围为75kHz( MAX262)。模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术82基本框图基本框图模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术83引脚引脚模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术84工作原理工作原理模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术85基本时序基本时序模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术86编程地址表编程地址表模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术87应用应用模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术881、采样与量化、采样与量化采样采样:模拟量模拟量离散量离散量量化：量化：离散量离散量数字量数字量4 高速高分辨率高速高分辨率A/D技术技术模拟小信号调理技术模拟小信

33、号调理技术892、双积分式、双积分式A/D转换转换11101( )TIOIuuTu dtTRCRC 121121121()( )() 0TTOOREFTIREFuTTuTUdtRCuUTTRCRC 122nCPIIREFREFT uTuTUU222nICPREFTuNTU模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术90优点：优点：缺点：缺点：抗干扰能力强抗干扰能力强转换速度慢转换速度慢模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术913、逐次比较式、逐次比较式A/D转换转换天平称物：天平称物：基本原理：基本原理：模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术92D/A转换器的作用：转换器的作用：120/120(222)2nnREFD Annnuuddd优点：优点：缺点：缺点： 抗干扰能力差抗干扰能力差转换速度快转换速度快模拟小信号调理技术模拟小信号调理技术934、增量调制型、增量调制型A/D转换转换uIuEuCuDuD (AVG)1120.40.4-10.4+0.4-100.530.40.4-0.2+0.410.3340.40.4-10.2+0.4-100.550.40.4-0.4+0.400.4优点：具有精度