PDF《作者简介》

信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.

ti.com.cn 前言信号链包括从信号的采集,放大,传输,处理一直到对相应功率器件产生执行 的一整套信号流程,该系列文章主要着眼于模拟信号链的基本构建块予以探讨和研 究.讨论运放的一些基本应用,描述一些运放性能的指标,包括模拟信号处理以及 支持这些功能所必须的器件.欢迎多提保贵意见和建议. 关于德州仪器公司 德州仪器 (TI) 是全球领先的数字信号处理与模拟技术半导体供应商,亦是推动因特网 时代不断发展的半导体引擎.作为实时技术的领导者,TI 正在快速发展,在无线与宽带接 入等大型市场及数码相机和数字音频等新兴市场方面,TI 凭借性能卓越的半导体解决方案 不断推动着因特网时代前进的步伐! 作者简介 William P. (Bill) Klein 现任 TI 高性能模拟产品部高级应用工程师.Bill 是在

2000 年8月TI 收购 Burr-Brown 产品线时加盟 TI 的.他拥有超过

40 年的模 拟电路设计工作经验,涵盖了从找矿勘查到核医学影像的广泛领域.目前,Bill 负责 举办模拟电子实验室网络直播 (e-LAB Web Cast),介绍在模拟电路设计中所遇问 题的解决方案.他毕业于亚利桑那州立大学 (Arizona State University),获电子工 程理学士学位,并成为亚利桑那州注册专业工程师;

此外,他还撰写了大量的杂志 文章、应用手册以及会议论文. 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 目录信号链基础知识(第11 部分) :电压和电源调节电路简介.3 信号链基础知识(第12 部分) :一个重要的 AC 参数显示工具――Bode 图6信号链基础知识(第13 部分):充分利用 Bode 图.9 信号链基础知识:ADC 静态参数(第14 部分)12 信号链基础知识(第15 部分) :ADC 的动态参数.16 信号链基础知识:模拟电压比较器(第16 部分)18 信号链基础知识(第17 部分):滞后功能――了解更多模拟电压比较器的 相关知识.20 信号链基础知识(第18 部分):用作积分器的运算放大器.24 信号链基础知识(第19 部分):探究和了解线性稳压器.27 信号链基础知识(第20 部分):了解运算放大器及速度的基本原理.......30 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 信号链基础知识(第11 部分) :电压和电源调节电路简介 稳压电路基础知识,涵盖了从简单的电阻到开关降压/升压转换器的所有知识 为了使所有的信号链器件均能正常工作,这就要求每个器件的电源电压都要稳 定.电源调节电路主要分为两大类:a) 线性调节电路和 b) 开关调节电路.虽 然线性电压控制器在通常情况下效率最低,但其产生的噪声也是最少的,请参见 图1. 图1线性稳压器基本原理 (点击图像可以放大) 如果负载电流要求不随时间变化而变化且非稳压输入电源电压稳定, 那么图中的 一个简单的串联电阻就可以对电路的电源电压进行调节.然而, 在现实世界中实 现这样的条件是不可能的.图2所示电路提供了一种有源控制方案. 图2有源稳压器 (点击图像可以放大) 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 齐纳二极管 (Z1) 在运算放大器正输入端提供了一个稳定的参考电压. 该运算放 大器会一直调节其输出, 直到由 R2-R3 分压器形成的负输入端上的采样电压等 于齐纳电压为止. 然后, 在一个宽泛的负载电流和输入电压范围内保持输出电压 控制. 然而不幸的是这样的电路效率并不是很高,利用开关稳压器可将效率大大 提高. 图3降压开关转换器 [请参见下文中的视频链接] (点击图像可以放大) 图3中的电路为降压转换器(属于 DC/DC 开关转换器),其会产生一个低于 输入电压的输出电压(请点击此处参见视频).该周期以开启 Q1 开始,因此 电源电流流经 Q1 和L1 至负载.流经 L1 的电流会在 L1 内部产生了一个磁 场能量存储.控制器在适当的开关点处开启 Q1,这样存储在 L1 中的能量现在 就作为一个可以继续为负载供应电流的电源了. 随着 L1 中磁场的减弱,输出电压将降至一个设置点,且Q1 被重新开启以复 原输出.在Q1 处于关闭的状态期间,电流回流经续流二极管 D1.在线性旁 路稳压器中,随着旁路元件温度的升高能量逐渐减少.但是,在开关稳压器中, 电感起了一个存储元件的作用. 图4升压开关稳压器 [请参见下文中的视频链接] (点击图像可以放大) 图4中的升压开关稳压器产生了一个高于输入电压的输出电压(请点击此处参 见小视频).在第一个阶段,Q1 处于开启状态,因此输入电流在 L1 中形成了 一个磁场.由于二极管 D1 的反向偏置,输出与 L1 电路被隔离开来.所有供 给到负载的电流均来自输出电容 Cout.在运行的第二个阶段,Q1 处于开启状 态且 L1 的能量被添加到输入电压以产生一个高于输入电压的输出电压. 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 两个开关稳压器的控制器采用不同的算法以确定不同阶段的开关点, 从而使开关 稳压器实现高于 90% 的效率. 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 信号链基础知识(第12 部分) :一个重要的 AC 参数显示 工具――Bode 图Bode 图是了解放大器关键 AC 性能特性的重要工具 用于描述放大器过频率性能的 AC 参数可能会显得含混不清.在许多描述和分 析中所使用的工具就是 Bode 图(请参见参考文献 1).该图显示了网络或系 统的增益和相位关系.由于图像可缩放,因此可利用图形技术来完成计算. 对于一连串级的总增益可通过采用各单级的乘积进行计算. Bode 图以频率函数 显示增益(单位为 dB).dB 单位基于传输比的对数,该单位以数学公式的方 式可表述为(公式 1): 对数相加时即可实现乘法运算, 因此系统总增益可通过单个增益曲线的图解加法 进行计算. 相移是一个线性变量, 并且通过串联级的相移只进行代数相加. Bode 图的许多特性都可通过分析一个简单的 R-C 低通滤波器图解出来(请参见图 1). 图1R-C 低通滤波器 对此电路来说,响应曲线中的截止频率位于该点上(见公式 2): 在分压器的每个支路中存在等值阻抗时, 易犯的一个错误是把 Vout 当成输入电 压的一半.该错误是电容性阻抗位于虚轴上,与实轴阻抗 (R1) 相对.Vout 的 振幅随即为 0.707 Vin.这样会以 -3.01 dB 的增益进行计算.从R1 两端的电 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 压相移 90°即得到 C1 两端的电压.因为真实和虚拟的电压分量相等,因此它 会通过 45°的电路进行一次相移. 图2显示了电路响应的 Bode 图: 图2单极、低通滤波器的 Bode 图 (点击图像可以放大) 虽然试图从增益图精确地确定截止频率很困难, 但45°相移频率却更易于识别. 可通过电路分析计算图

2 中的曲线.利用直线近似值(见图 3)即可获得良好 的一阶结果. 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 图3增益和相位的直线近似值 (点击图像可以放大) 通过从 Y 轴到截止频率 (fc) 绘制一条平行于 X 轴的线,然后再绘制一条每十 倍频向下倾斜 20dB 的直线, 即可成功绘制直线增益近似值. 相位图在 fc/10 处从0° 开始,并在 fc 处通过 45° ,再到达

10 倍的 fc. 线斜率只是对零点进行反转.因为极点相移图的斜率是每十倍频 -45° ,因此与 零点相关的斜率就是每十倍频 +45° . 由于运算放大器 (op amp) 的开环响应显示了一个等于频率的单极点响应 (其中 增益交叉

0 dB,增益为 1),因此这会完全应用到信号链.这些技术和近似值 将在以后的文章中使用,以帮助预测 op amp 电路的稳定性和总频率响应. 参考文献

1、Hendrik W. Bode 博士,数学家,职于贝尔电话实验研究所. 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 信号链基础知识(第13 部分):充分利用 Bode 图 本系列文章的

第一篇文章中(请参见: http://www.analog.eetchina.com/ART_8800514158_2600001_TA_9cffe905.H TM)给出了一个增益表达式,该表达式的形式令一些读者感到迷惑不解.为了 解释说明该数学表达式,我们以工具条中该表达式的最终结果开始加以阐述: 利用电压 β 的定义重新绘制电路图,如此处的图

1 所示. 图1运算放大器作为一个增益级 (点击图像可以放大) 把增益设置电阻看作一个分压器,从而得出: 理想的增益或要求的增益为 1/β,同时传输函数变为: 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 我们应该注意到 Aol 和β均为频率函数.这种函数关系的结果可以在图

2 所 示的 Bode 图中看到(注释:Aol 用蓝色表示,1/β 用橙色表示). 图2组合的 Bode 图 (点击图像可以放大) 该示例说明了 Y 轴对数标度的幂,对数减法就是除法的算术运算.因此,图2中两条曲线的距离为传输函数的除法, 闭环增益的精度可以体现在两条曲线之间 的距离上.随着频率的增加,两条曲线间的距离随之缩小.因此传输函数中的第 二项将不再是 1,假设的一个无穷大开环增益的近似值也将不再正确. 另一个可以轻松地在 Bode 图上看到的运算放大器 (op amp) 性能指标 (key) 为增益带宽乘积 (GBP) 和单位增益带宽 (UGB) 之间的差.在低频率时,所有 运算放大器在其响应中都有一个极点. 此外, 这些运算放大器还有一个高频极点. 当一个频率接近开环增益曲线与

0 dB 交叉(单位增益)处的频率时,就会出现 这一极点.请参见图

3 所示的两个运算放大器的增益曲线. 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 图3单位增益带宽与增益带宽乘积 (点击图像可以放大) 整数 (unit)

1 显示了一个

1 MHz 的UGB,由于

100 kHz 时的极点,整数

2 显示了一个近

300 kHz 的UGB. 图3中整数

1 的GBP 与其

1 MHz UGB 是一样的.整数

2 虽然具有一个

300 kHz 的UGB,但是 GBP 还是

1 MHz.对于单极点系统而言,频率发生 十倍频程的变化就会导致 10*(20 dB) 的增益变化. 为了计算整数

2 的GBP, 请标注出增益曲线 (该曲线仍然在

20 dB/decade 斜 线上) 上的最后一点, 在这种情况下,其为

100 kHz 时的

20 dB,

20 dB 为10 的一个增益.乘以该增益然后再乘以频率以计算得出 GBP(10 *

100 kHz =

1 MHz) . 对于两个极点间 (即10 kHz 时100 的增益相当于

1 kHz 时1000 的 增益)所有频率响应曲线上的点而言,GBP 的值是恒定的. 为了获得与频率相关的性能, 在未来我们将对 GBP 和Bode 图进行多次修改, 而且 GBP 和Bode 图在理解稳定性问题时也颇为有用. 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 信号链基础知识:ADC 静态参数(第14 部分) 在2007 年11 月30 日的文章第

3 部分: 《模拟与数字世界》中,我们重点讨论了完美 的模数转换器 (ADC).作为一款具有模拟输入和数字输出的混合信号器件,其中所描述的 规范理所当然也应与模拟和数字相关.图1中显示了理想 ADC 的传输函数. 图1ADC 理想的传输函数 输出代码从

000 转换到

001 应发生在输入模拟电压达到一半 LSB 时.当该转换在某些 其他输入电压处发生时,其差值就为偏移.如图

2 所示,这是位于第一个开关点处的模拟 电压误差. 信号链基础知识合辑(Part2,11-20) www.ti.com.cn 图2输入电压偏移 由于第一个开关点出现移位, 因此整个传输函数也........