УДК 621.396.6(035.3)
ББК 32.844я81
Б97
Данное издание подготовлено при участии российского представительства ком
пании Texas Instruments. На русскоязычном сайте www.ti.com/ru вы можете получить
информацию о компании TI, а также заказать бесплатные образцы микросхем.
Телефон горячей линии технической поддержки +74959810701.
Б97
Бэйкер, Бонни
Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике / Бонни
Бэйкер ; пер. с англ. Ю. С. Магды. — М. : ДМК Пресс, 2018. — 360 с. : ил. —
(Серия «Схемотехника»). — Доп. тит. л. англ. — ISBN 978597060 5837.
Книга может служить практическим руководством разработчика, охватывая наиболее
важные сферы проектирования аналоговой электроники: аналогоцифровое и цифроанало
говое преобразование, применение операционных усилителей и фильтров, а также интегра
цию аналоговых и цифровых систем. Материал книги составлен таким образом, чтобы
помочь инженерам, занимающимся, в основном, разработкой цифровой электроники, осво
ить проектирование аналоговых схем.
Книга помогает поновому, используя аналоговый подход, взглянуть на проектирование
устройств, что позволяет быстро решать возникающие проблемы. Особое внимание уделя
ется таким основополагающим, но почемуто редко рассматриваемым в подобных изданиях
темам, как влияние шумов на качество работы схемы, применение инструментальных средств
и оборудования при настройке и тестировании аналоговых устройств.
Книгу отличают многочисленные описания практических примеров проектирования
схем, а также советы по выбору подходящих инструментальных программноаппаратных
средств, без которых не обойтись в процессе разработки.
Книга предназначена для инженеровпрактиков, разрабатывающих цифровые схемы, а
также будет полезна студентам и преподавателям, сталкивающимся с проблемами проекти
рования аналоговых схем для цифровых устройств. Свободный стиль повествования,
используемый автором, одинаково хорошо воспринимается как студентами, так и профес
сиональными инженерами.
УДК 621.396.6(035.3)
ББК 32.844я81
Книга «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике» Бонни Бэйкер под
готовлена и издана по договору с Elsevier INC, 200 Wheeler Road, 6th Floor, Burlington, MA01803, USA.
ISBN 0750678194 (англ.)
© Elsevier Inc.
ISBN 9785970605837 (ДМК Пресс)
ISBN 9785941201709 (Додэка)
© Додэка, оформление
© ДМК Пресс, издание, 2018
Стр.5
Оглавление IJ 5
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Об авторе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Глава 1. Аналоговая и цифровая электроника: мост через пропасть . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1. Цифровой метод измерения температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2. Проблемные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1. Это не моя работа! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2. Подскажите, в чём дело . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.3. Всё это ерунда — мне нужны только данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3. Универсальное средство решения проблем аналоговой схемотехники . . . . . . . . . . . 29
1.4. Аналоговая и цифровая схемотехника: основные различия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.1. Точность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.2. Аппаратное или программное решение? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.3. Время и частота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.5. Организационные аспекты проектирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6. Изучите основы и двигайтесь дальше. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Литература.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Глава 2. Принцип работы аналогоцифровых преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1. Основные параметры вашего АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.1. Диапазон входного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.2. Цифровое кодирование аналогового сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.3. Скорость преобразования, разрешающая способность и точность . . . . . . . . . 47
2.1.4. Точность и разрешающая способность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.1.5. Параметры по переменному току и повторяемость результатов . . . . . . . . . . . . 49
2.1.6. Точность и параметры по постоянному току . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2. АЦП последовательного приближения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.1. Блоксхема КМОПпреобразователя последовательного приближения . . . . 56
2.2.2. Входной каскад АЦП последовательного приближения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3. Сигмадельтапреобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1. Принципы работы сигмадельтапреобразователя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Стр.6
6 IJ Оглавление
2.3.2. Усилитель с программируемым коэффициентом усиления в сигмадельта
преобразователе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.3. АЦП высокого порядка с уравновешиванием заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.4. Цифровой фильтр нижних частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.5. Фильтр децимации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.3.6. Ещё о сигмадельта АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.3.7. Время установления цифрового фильтра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.3.8. Отличия сигмадельта АЦП разных производителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Заключение.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Глава 3. Выбор АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1. Типы входных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2. Сигнальные цепи датчиков температуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3. Выбор АЦП для схем с резистивными датчиками температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.3.1. Питание РТД в схеме с АЦП последовательного приближения . . . . . . . . . . . . 88
3.3.2. Тракт обработки сигнала РТДэлемента в схеме с АЦП ПП . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3.3. Подходит ли АЦП последовательного приближения
для устройств измерения температуры? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4. Тракт обработки сигнала РТД с сигмадельта АЦП. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.1. Подходит ли сигмадельта АЦП для этого приложения? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5. Измерение давления: АЦП последовательного приближения или сигмадельта АЦП? . 93
3.5.1. Пьезорезистивный датчик давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.6. Измеритель давления с АЦП ПП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.6.1. АЦП последовательного приближения
в схеме измерителя давления: выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.7. Измеритель давления с сигмадельта АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.7.1. Сигмадельта АЦП в схеме измерителя давления: выводы . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.8. Устройства с фотодиодами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.9. Схема с фотодатчиком и АЦП последовательного приближения . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.9.1. АЦП последовательного приближения в схеме с фотодатчиком: выводы . . . 98
3.10. Схема с фотодатчиком и сигмадельта АЦП. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.10.1. Сигмадельта АЦП в схеме с фотодатчиком: выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.11. Управление электроприводом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Заключение.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Глава 4. Фильтрация сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1. Основные параметры аналогового ФНЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.1.1. Аппроксимация аналоговых фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2. Теория фильтров, устраняющих эффект наложения спектров . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3. Реализация аналогового фильтра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.1. Пассивные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3.2. Активные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.3. Однополюсный фильтр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.4. Фильтр СалленаКея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Стр.7
Оглавление IJ 7
4.3.5. Двухполюсный фильтр с комбинированной обратной связью . . . . . . . . . . . . 123
4.4. Операционный усилитель для фильтра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.5. Фильтры, устраняющие эффект наложения спектров, для аналоговых сигналов
с частотами, близкими к нулю. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.5.1. Модифицированная схема измерительной цепи с РТДэлементом . . . . . . . . 125
4.6. Многоканальные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.7. Непрерывные аналоговые сигналы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.8. Выбор фильтра для устранения эффекта наложения спектров . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Литература.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Глава 5. Поиски идеального операционного усилителя для идеальной схемы . . . . . 132
5.1. Выбор технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.2. Базовые схемы включения ОУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.1. Повторитель напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.2. Усиление аналоговых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.3. Дифференциальный усилитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.4. Суммирующий усилитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.2.5. Преобразование тока в напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.3. Применение базовых схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3.1. Инструментальный усилитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3.2. Плавающий источник тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4. Подводные камни процесса разработки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.1. Общие советы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.2. Усилители с однополярным питанием и сигналами от шины до шины . . . . 147
Литература.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Глава 6. Операционный усилитель в линейной системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.1. Основы работы усилителя на постоянном токе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.1.1. Аномалии входного каскада ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.1.2. Влияние высокого входного импеданса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.1.3. Выходной сигнал усилителя не изменяется от шины до шины (как было
обещано) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.1.4. Правильное использование входного и выходного каскадов ОУ . . . . . . . . . . 159
6.1.5. Немного о параметрах по постоянному току . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.2. Каждый усилитель может стать генератором, а каждый генератор — усилителем . 164
6.2.1. Базовая модель ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.2. Устойчивость систем с замкнутой цепью обратной связи . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.3. Передаточная функция усилителя с обратной связью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.4. Расчёт коэффициента усиления при замкнутой цепи ОС . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.3. Определение устойчивости системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.3.1. Итоги анализа устойчивости в частотном диапазоне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.4. Характеристики во временной области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.4.1. Скорость нарастания выходного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.4.2. Время установления (tS) и выбросы сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.5. Отправляясь в путь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Литература.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Стр.8
8 IJ Оглавление
Глава 7. SPICEмоделирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.1. Старый метод расчёта на бумаге . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.2. Достоверны ли результаты моделирования по существу?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.3. Макромодели: что они могут? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.4. Последние замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Глава 8. Цифровая обработка аналоговых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.1. Широтноимпульсный модулятор в качестве
цифроаналогового преобразователя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.1.1. Временная характеристика источника опорного напряжения . . . . . . . . . . . . 201
8.1.2. Преобразование цифрового сигнала в аналоговый . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.1.3. Параметры аналогового ФНЧ для ЦАП на основе ШИМ . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.1.4. Связь частотной и временной характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.2. Компаратор в схемах преобразования аналогового сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.2.1. Диапазон входного сигнала компаратора (VIN+ и VIN–) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.2.2. Гистерезис входного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.3. Двухпороговый компаратор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.4. Комбинированная схема компаратора и таймера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.5. Использование таймера и компаратора в сигмадельта АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.5.1. Теория сигмадельтапреобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.5.2. Программная модель сигмадельтапреобразователя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.5.3. Анализ погрешностей сигмадельта АЦП, реализованного
на микроконтроллере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.5.4. Диапазон входных напряжений сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Заключение.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Глава 9. Комбинированные аналогоцифровые системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.1. Источники питания на батареях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.2. Преобразование напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.3. Расчёт КПД источника питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.3.1. КПД импульсного понижающего преобразователя напряжения . . . . . . . . . . 227
9.3.2. КПД преобразователя с подкачкой заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.3.3. КПД линейного LDOстабилизатора напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.4. Сравнение преобразователей напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.5. Выбор оптимального решения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.6. Микромощные системы на микроконтроллерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.6.1. Питание в аналогоцифровых системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.6.2. Управление тактовой частотой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.6.3. Режимы ожидания и синхронизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Заключение.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Глава 10. Шумы в электронных схемах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.1. Параметры шума: термины и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Стр.9
Оглавление IJ 9
10.1.1. Пример расчёта шумовых характеристик схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.2. Шум компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.2.1. Шум резистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.2.2. Шумы операционного усилителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.2.3. Шумы аналогоцифрового преобразователя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.2.4. Шумы источника питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.2.5. Минимизация шумов устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
10.3. Шум проводимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.3.1. Шумы в сигнальной цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.3.2. Шумы на шине питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.3.3. Схема с улучшенными шумовыми параметрами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Литература.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Глава 11. Разводка схем на печатной плате . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.1. Разводка печатных плат аналоговых и цифровых схем: общие моменты. . . . . . . . . 274
11.1.1. Развязывающие конденсаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
11.1.2. Разводка шин питания и земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.2. Слой земли в цифровых и аналоговых схемах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.2.1. Размещение компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.3. Влияние паразитных параметров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.3.1. Влияние паразитных ёмкостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.3.2. Индуктивности печатного монтажа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.4. Разводка схем с АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.4.1. Разводка схем с АЦП последовательного приближения . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.4.2. Разводка платы с сигмадельтапреобразователем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
11.5. Разводка двухслойных печатных плат. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.5.1. Автоматическая трассировка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.6. Дорожки обратных токов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.7. Особенности разводки 12битных измерительных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
11.8. Общее руководство по разводке платы: размещение компонентов . . . . . . . . . . . . . 296
11.9. Общее руководство по разводке платы: заземление и питание . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
11.10. Дорожки сигнальных цепей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
11.11. Фильтрация и развязка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.11.1. Развязывающие конденсаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.11.2. Фильтр, устраняющий эффект наложения спектров . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.12. Советы по разводке печатной платы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Литература.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Глава 12. Отладка схем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.1. Базовые средства отладки и поиска неисправностей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.2. Проверка работы АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
12.3. Шумы источника питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
12.4. Неправильное использование операционных усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
12.5. Не упускайте детали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Заключение.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Литература.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Стр.10
10 IJ Оглавление
Глава 13. Проектирование комбинированных аналогоцифровых систем . . . . . . . . 317
13.1. Сигнальная цепь в реальный мир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
13.2. Инструментальные средства разработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
13.3. Связь цифровой и аналоговой схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Заключение.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Приложение А. Аналогоцифровой преобразователь: параметры, определения
иформулы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Приложение Б. Быстрое преобразование Фурье. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Б.1. Анализ графика БПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Б.2. Основная частота входного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Б.3. Размах входного сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Б.4. Отношение сигнал/шум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Б.5. Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих . . . . . . . . . . . . 338
Б.6. Среднее значение собственных шумов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Б.7. Другие характеристики, получаемые в результате выполнения БПФ . . . . . . . . . . . 340
Б.8. Точность результатов БПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Б.9. Весовые (оконные) функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Приложение В. Параметры, определения и расчётные формулы
для операционных усилителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Приложение Г. Продукция компании Texas Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
Стр.11