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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ADC173

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ESL199

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MAX2079274

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