模拟工程师口袋参考书(优化).pdf

1、 3 Kevin DukeRafael OrdonezJohn CaldwellCollin WellsIan WilliamsThomas Kuehl 模拟工程师口袋参考书第四版第四版Art Kay和Tim Green特别感谢以下人员提供的技术支持和审查工作：Copyright 2014，2015 德州仪器(TI)公司。版权所有。德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书4 编者的话这本口袋参考书是常用板级和系统级设计公式的实用快速指南。收集的这些公式是基于50多年的模拟板级和系统级专业知识。数年间，通过参考和查阅一个装满打印文件的文件夹，我们汇总整理了这本口袋参考书中的大部分材料。这些磨损严重的

2、纸张已经被精心整理，而这部指南中提供的信息也都装订成册，不会再轻易遗失了。以下是所包含的主要领域的简要概述：关键常数与换算 分立元件 AC和DC模拟方程式 运算放大器基本配置 运算放大器带宽和稳定性 传感器概述 PCB传输线R，L，C 导线R，L，C 二进制、十六进制、十进制格式 A/D和D/A转换我们希望这些收集的公式对您同样有用。请将您对于下一版模拟工程师口袋参考书的意见和/或想法发至artkay_其它资源：浏览TI Precision Lab( Designs高精度参考设计库中搜索全部板级和系统级电路( ( (http:/)。德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书 5 目录换算.7物理常数

3、.8标准十进制前缀.9公制换算.9温度换算.10误差换算（ppm和百分比）.10分立元件.11电阻器色标.12标准电阻器值.13实际电容器模型和技术规格.14实际电容器与频率之间的关系.15电容器类型概述.16标准电容值.17电容值标记与公差.17二极管与LED.18模拟.19电容器方程式（串联、并联、电荷、能量）.20电感器方程式（串联、并联、能量）.21电容器充电与放电.23RMS与平均电压定义.24RMS与平均电压示例.24对数数学定义.27dB定义.28对数尺度.29极点与零点定义和示例.30相移时间.34放大器.35基本运算放大器配置.36运算放大器带宽.41满功率带宽.42小信号阶

4、跃响应.43噪声方程式.44相位裕量.48稳定性开环SPICE分析.50仪表放大器滤波器.53PCB和导线.55PCB导体间距.56内层PCB传输线的自发热.571oz和2oz纯铜的PCB传输线阻抗.58封装类型和尺寸.60PCB平行电路板电容.61PCB微带线电容和电感.62PCB邻近铜传输线电容.63PCB过孔电容和电感.64普通同轴电缆技术规格.65同轴电缆方程式.66不同类型导线(AWG)单位长度电阻.67不同类型导线的最大电流.68传感器.69温度传感器概述.70热敏电阻.71电阻式温度检测器(RTD).72二极管温度特性.74热电偶（J和K）.76A/D转换.81二进制/十六进制换

5、算.83A/D和D/A转换函数（LSB，数据格式，FSR）.84量化误差.90信噪比(SNR).91总谐波失真(THD).92信噪比与失真(SINAD).94有效位数(ENOB).94无噪声分辨率与有效分辨率.95建立时间（原文为setting time）与换算精度.95德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书10 59F 2 F 95 2 2.15 2.15 :Error%easured IdealIdeal 100 Error%FSR easured IdealFullscalerange 100%ppm10 100 m%ppm10 100 1000 ppm%10 ppm m%10 Error

6、%0.12VV0.1V Error%FSRV5V 10 ppm10 10 ppm10 换算表5：温度换算华氏度到摄氏度测得值的误差摄氏度到华氏度误差占满量程范围的百分比摄氏度到开 百万分率转换为百分比开到摄氏度百万分率转换为千分比百分比转换为百万分率千分比转换为百万分率表6：误差换算示例当理想值为0.1V，范围为5V时，计算0.12V测量值的误差。答案示例将10ppm转换为百分比和千分比。答案测量值的误差百万分率转换为百分比占FSR的百分比百万分率转换为千分比德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书 L L L L L11L1L 1L LLLL L v Ldidt 12LI dt (12)Ener

7、gy stored in an inductor 模拟电感方程式（8）串联电感器（9）并联电感器（10）2个并联电感器（11）1个电感器上的瞬时电压在这里在这里在这里Lt=等效总电感L1，L2，L3LN=元件电感v=电感器上的瞬时电压L=以亨利为单位的电感值(H)E=储存在电感器中的能量，单位焦耳(J)I=以安培为单位的电流值(A)L=以亨利为单位的电感值(H)德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书 ABAB log ABAB log AA logloglog logloglog ln X exp x (27)Log of dividend(28)Log of product(29)Log of

8、 exponent(30)Changing the base of log function(31)Example changing to log base 2(32)Natural log is log base e(33)Exponential function to 6 digits(34)Different notation for exponential function(35)Different notation for scientific notation,sometimes confused with exponential function 对数数学定义替代表示法模拟德州仪

9、器(TI)模拟工程师口袋参考书28 VV PP 1 mW Measured Power Measured(W)A(V/V)A(dB)0.001600.01400.120101020100401,0006010,00080100,0001001,000,00012010,000,000140 (36)Voltage gain in decibels(37)Power gain in decibels(38)Used for input or output power dB定义模拟波特图基础知识定义针对振幅或增益波特图的频率响应是电压增益随频率变化而产生的变化值。这个变化值在一个波特图上被指定出来

10、，这是一条频率与单位为dB（分贝）的电压增益之间的关系曲线。通常情况下，波特图被绘制为半对数曲线，频率在x轴上，而对数尺度和增益在y轴上，线性刻度。频率响应的另外一半是相移与频率之间的关系，绘制的是频率与相移度数之间的关系。相位曲线图通常绘制为半对数曲线图，频率在x轴上，对数尺度、相移在y轴上，线性刻度。滚降率是增益随频率的减少量十倍频是频率十倍增加量或减少量（从10Hz至100Hz为一个十进位）倍频是频率加倍或减半（从10Hz至20Hz就是一个倍频）表15：常见增益值和dB等效值表德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书30 100806040200fP0.707*GV/V=3 dBG(dB)1

11、0M1M100k10k1k1001010M1M100k10k1k10010105.7fP1045fP84.3fPx 1090+90+4504590 波特图：极点模拟实际 函数直线近似值-20/十倍频频率（HZ）-45十倍频（度数）时为时为时为图14：极点增益与相位极点位置=fP（截止频率）振幅(ffP)=-20dB/十倍频相位(f=fP)=-45相位(0.1fPf10fP)=-90相位(f0.1fP)=0德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书 GVVGff GVVGff ff G j (39)As a complex number(40)Magnitude(41)Phase shift(42)M

12、agnitude in dB 极点（方程式）模拟在这里GV=以V/V为单位的电压增益GdB=以分贝为单位的电压增益GDC=dc或低频电压增益f=频率，单位HzfP=极点出现时的频率=从输入到输出的信号相移j=表示虚数或德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书32 806040200G(dB)+90+450459010M1M100k10k1k1001010M1M100k10k1k10010105.7fZ10+45fZ+90+3 dB 波特图（零点）模拟实际 函数直线近似值+20dB/十倍频fZx10时为84.3+45/十倍频（度数）时为时为图15：零点增益与相位零点位置=fZ振幅(ffZ)=+20d

13、B/十倍频相位(f=fZ)=+45相位(0.1 fZf10 fZ)=+90相位(f0.1fZ)=0频率（HZ）德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书 GVV Gjff GVV Gff ff G G WhereGV=voltage gain in V/V (43)As a complex number(44)Magnitude(45)Phase shift(46)Magnitude in dB 零点（方程式）模拟在这里GV=以V/V为单位的电压增益GdB=以分贝为单位的电压增益GDC=dc或低频电压增益f=频率，单位HzfP=极点出现时的频率=从输入到输出的信号相移j=表示虚数或德州仪器(TI)模

14、拟工程师口袋参考书38 V RR VNVN VN VCCVEERinRfVOUT VNV2 V1R1R2RN 放大器基本运算放大器配置（继续）(53)针对非反向加法放大器的转换函数在这里R1=R2=RNN=输入电阻器的数量图21：同相加法配置德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书44 放大器运算放大器噪声模型图29：运算放大器噪声模型运算放大器固有噪声：由运算放大器导致的噪声（电流噪声+电压噪声）电阻器噪声德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书 A_V VV1VV A_ V +-VFBR1RFV+VOUTVINVORisoC11TCLVL11TCFCIN (73)Loaded open loop

15、gain(74)Feedback factor(75)Closed-loop noise gain(76)Loop gain 放大器图37：用于实现稳定性的其它（多个反馈）SPICE测试电路在这里VO=运算放大器输出上的电压。VOUT=传送至负载的输出电压，也许对应用比较重要，但是在稳定性分析中不将其考虑在内。VFB=反馈电压RF，R1，RiS0和CL=运算放大器反馈网络。由于有2条反馈路径，此环路在输入上被断开。C1和L1是使SPICE分析更加便捷的组件。它们的值大到(1TF,1TH)能够在dc频率上实现电路闭合，但是不能在ac频率上实现电路打开。为了实现收敛，SPICE在dc频率上需要闭环

16、运行。CIN=运算放大器数据表中得出的等效输入电容。由于此模型已经将其包括在内，所以通常情况下无需增加这个电容值。然而，当使用这个仿真方法时，此电容被1TH电感器所隔离。德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书54 放大器德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书74 VnkTqnII nkTqnII (100)Diode voltage I T qVnkT (101)Saturation current 二极管方程式与温度传感器在这里在这里VD=相对于温度和电流的二极管电压n=二极管理想因子（范围从1至2）k=1.38 x 10-23 J/K，玻尔兹曼常数T=温度，单位开q=1.60 x 10-19C，一个电子的电量I=正向二极管电流，单位安培IS=饱和电流IS=饱和电流=与结横截面面积有关的常数VG=相对于温度和电流的二极管电压n=二极管理想因子（范围从1至2）k=1.38 x 10-23 J/K，玻尔兹曼常数T=温度，单位开q=1.60 x 10-19C，一个电子的电量德州仪器(TI)模拟工程师口袋参考书A/D Conversion MaxRMSSignal FSR/221LSB 22 R