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第1章 低功耗系统设计的一般原则 1

1．1 集成电路的功耗 1

1．1．1 CMOS倒相器的传输特性 1

1．1．2 开关功耗 2

1．1．3 短路功耗 3

1．1．4 冒险功耗 3

1．1．5 静态功耗 4

1．2 降低微处理器的功耗 5

1．2．1 选择低功耗的微处理器 5

1．2．2 降低供电电压和时钟频率 6

1．2．3 选择合适的总线宽度 6

1．2．4 设计低功耗的接口电路 7

1．2．5 选取不同工作模式 7

1．2．6 关闭不需要的外设控制器 8

1．2．7 控制微处理器的供电 8

1．3 降低外围器件的功耗 9

1．3．1 SDRAM 9

1．3．2 NOR Flash 10

1．3．3 RS-232-C接口 10

1．3．4 以太网接口 11

1．4 选择低功耗的电源供给电路 12

1．4．1 线性稳压电路 12

1．4．2 DC-DC电路 14

1．5 软件低功耗设计 14

1．5．1 编译优化 15

1．5．2 指令排序 15

1．5．3 常用的降低软件功耗的方法 17

第2章 低功耗微控制器电路设计 19

2．1 选择低功耗的微控制器 19

2．1．1 低功耗8位PIC单片机系列 19

2．1．2 意法半导体（ST）超低功耗8位MCU系列 21

2．1．3 16位超低功耗MCU MSP430FG4270 22

2．1．4 意法半导体（ST）32位超低功耗微控制器 23

2．1．5 超低功耗的32位AVR UC3L微控制器 25

2．1．6 低功耗精密模拟微控制器ADuC7060／ADuCT061 27

2．2 PIC单片机的低功耗设计 30

2．2．1 纳瓦技术和nano Watt XLP技术 30

2．2．2 深度休眠模式 32

2．2．3 休眠模式 34

2．2．4 空闲和打盹模式 36

2．2．5 时钟切换 37

2．2．6 关闭外部电路／控制占空比 38

2．2．7 功耗预算 39

2．2．8 合理配置端口引脚 40

2．2．9 在I／O引脚使用高阻抗值上拉电阻 41

2．2．10 降低器件的工作电压 41

2．2．11 使用外部电源为CPU内核供电 41

2．2．12 备用电池的使用 42

2．2．13 双速驱动 42

2．2．14 使用内部RC振荡器 43

2．2．15 使用外设模块禁止（PMD）位 44

2．2．16 低功耗Timer1振荡器的使用 44

2．2．17 使用LVD来检测电池低电量 44

2．2．18 使用外设FIFO和DMA 45

2．2．19 使用超低功耗唤醒外设 45

2．3 STM8单片机的低功耗设计 45

2．3．1 影响器件功耗的主要因素 45

2．3．2 STM8单片机的电源系统 46

2．3．3 STM8单片机的时钟管理 49

2．3．4 STM8单片机的运行模式和低功耗模式 51

2．3．5 功耗测量的设置 55

2．3．6 运行模式下的功耗 56

2．3．7 等待模式下的功耗 57

2．3．8 活跃停机模式下的功耗 57

2．3．9 停机模式下的功耗 58

2．3．10 功耗管理的一般性原则 58

2．4 Blackfin嵌入式处理器的低功耗设计 59

2．4．1 Blackfin处理器简介 59

2．4．2 Blackfin处理器的内部功耗 61

2．4．3 Blackfin处理器的外部功耗 65

2．4．4 Blackfin处理器实时时钟的功耗 66

2．4．5 Blackfin处理器的总功耗 66

2．4．6 Blackfin处理器的时钟频率控制 67

2．4．7 Blackfin处理器的工作模式转换 68

2．4．8 片内外设控制 69

2．4．9 内核电压控制 69

2．4．10 采用外部开关电源为Blackfin处理器供电 70

2．5 系统基础芯片（SBC）的低功耗设计 72

2．5．1 TLE7810简介 72

2．5．2 SBC集成的外设控制 73

2．5．3 SBC睡眠模式（Sleep Mode） 73

2．5．4 SBC停止模式（Stop Mode） 74

2．5．5 TLE7810低功耗应用例 74

2．6 38D2系列单片机的低功耗设计 75

2．6．1 38D2系列单片机特性 75

2．6．2 38D2系列单片机的低功耗设计技巧 77

2．6．3 38D2系列单片机的引脚端连接 79

2．7 STM32的硬件设计 81

2．7．1 消除影响ADC精度的因素 81

2．7．2 PCB的设计 83

2．7．3 VDD与VDDA的处理 84

2．7．4 低功耗模式的选择 86

2．7．5 I／O引脚的处理 87

2．7．6 STM32振荡器电路设计 87

第3章 低功耗微控制器外围电路设计 94

3．1 采用低功耗微控制器的微处理器监控电路 94

3．1．1 采用MAXQ3210构成的微处理器监控电路 94

3．1．2 使用MAXQ3210为微处理器供电 94

3．1．3 复位和电源监控 95

3．1．4 设置唤醒定时器 96

3．1．5 设置看门狗复位 97

3．1．6 注意两个器件的I／O电平 97

3．2 低功耗微处理器的上电复位电路 97

3．2．1 上电复位（POR）的时序 97

3．2．2 确定单电源处理器的POR门限电压 98

3．2．3 确定双电源处理器的POR门限电压 100

3．2．4 手动复位 100

3．2．5 分立的POR和处理器内置的POR 101

3．2．6 电源失效和欠压信号 102

3．2．7 电压排序和电压跟踪 103

3．2．8 复位顺序 103

3．3 低功耗看门狗 104

3．3．1 看门狗定时器 104

3．3．2 热看门狗 105

3．4 超低功耗微处理器监控电路 106

3．5 便携式微处理器内核的供电 106

3．5．1 DC－DC转换器对负载阶跃的响应 107

3．5．2 DC－DC转换器增加电压定位功能 108

3．5．3 等效效率 110

3．6 SDRAM的功耗优化设计 110

3．6．1 连接SDRAM到Blackfin处理器 110

3．6．2 SDRAM的PCB布局 113

3．6．3 降低SDRAM功耗的技巧 116

第4章 低功耗接口与控制电路设计 119

4．1 低功耗接口电路设计 119

4．1．1 1Mbps低功耗RS-232收发器 119

4．1．2 高速／全速USB 2．0开关 120

4．1．3 低功耗高速CAN收发器 121

4．1．4 低功耗LVDS多媒体接口 123

4．2 低功耗隔离电路设计 127

4．2．1 电路隔离的必要性 127

4．2．2 常用的电路隔离技术 129

4．2．3 隔离器的技术特性 132

4．2．4 低功耗的电容耦合隔离电路 133

4．2．5 低功耗的磁耦合数字隔离电路 134

4．2．6 USB电缆隔离电路 135

4．3 低功耗触摸屏控制器与触摸开关电路设计 137

4．3．1 低功耗电容式触摸传感器控制电路 137

4．3．2 低功耗触摸屏数字转换器电路 139

4．3．3 低功耗触摸屏控制器电路 139

4．3．4 低功耗4线电阻触摸屏控制器电路 139

4．3．5 低功耗单通道电容式触摸按键电路 140

4．3．6 低功耗S-Touch触摸传感器控制电路 143

4．4 低功耗继电器驱动电路设计 153

4．4．1 具有节电模式的继电器驱动电路 153

4．4．2 利用模拟开关降低继电器的功耗 155

第5章 低功耗ADC电路设计 157

5．1 低功耗12位ADC 157

5．1．1 基于12位ADC的低功耗温度测量电路 157

5．1．2 基于12位ADC的低功耗信号调理电路 157

5．2 低功耗16位∑-△型ADC 158

5．2．1 基于16位∑-△型ADC型的低功耗温度测量电路 158

5．2．2 基于16位∑-△型ADC型的低功耗信号调理电路 159

5．3 12位低功耗双核1Msps的ADC 159

5．4 16位125／105／80Msps 1．8V低功耗ADC 161

5．5 16位20／40／65／80Msps 1．8V双通道低功耗ADC 162

5．6 12位65Msps 8通道低功耗ADC 163

5．7 16位250ksps微功耗ADC（一） 163

5．8 16位250ksps微功耗ADC（二） 165

5．9 10位超低功耗单／双通道全差分ADC 166

5．10 低功耗500ksps单通道／双通道12位ADC 167

5．11 3V双通道8位低功耗ADC 168

5．11．1 QAM的基本结构 168

5．11．2 输入耦合电路 169

5．11．3 外部基准电压电路 170

5．11．4 共模电压的设置 170

5．12 低功耗24位4通道同时采样可级联的∑-△ ADC 173

5．13 16位／14位高精度低功耗4／6／8通道SAR ADC 174

5．13．1 多通道同时采样数据采集系统 175

5．13．2 三相电力线监测系统 181

5．14 低功耗双通道8位130Msps ADC 184

5．15 8／16通道12位65Msps低功耗ADC 186

5．16 基于低功耗ADC的电子秤设计 186

5．16．1 称重传感器的结构与要求 186

5．16．2 电子秤系统结构与要求 187

5．16．3 为电子秤选择最佳的ADC 189

5．16．4 基于20位∑—△型ADC的电子秤设计 190

5．16．5 基于24位∑—△型ADC的电子秤设计 193

5．16．6 基于24位∑—△型ADC的精密电子秤设计 194

5．16．7 基于24位∑—△型ADC的精密电子秤设计 195

5．16．8 基于3通道24位∑—△型ADC的精密电子秤设计 196

第6章 低功耗DAC电路设计 200

6．1 32通道14位电压输出低功耗DAC 200

6．1．1 32通道可编程电压输出电路 200

6．1．2 32通道监控电路 201

6．2 低功耗16位环路供电型4～20mA DAC 202

6．3 低功耗14位宽带串行接口乘法DAC AD5446 203

6．3．1 AD5444／AD5446的典型应用电路 203

6．3．2 高精度可编程电流源电路 205

6．4 16位低功耗DAC 206

6．4．1 正电压输出电路 206

6．4．2 双极性电压输出电路 207

6．4．3 高精度可编程电流源电路 207

6．5 16位双通道并行输入电流输出低功耗DAC 208

6．5．1 精密双极性数据转换电路 208

6．5．2 精密单极性同相数据转换电路 210

6．5．3 精密单极性反相数据转换电路 211

6．6 低功耗12／14／16位缓冲电压输出DAC 212

6．6．1 双极性电压输出电路 212

6．6．2 可编程4～20mA过程控制器电路 212

6．6．3 低功耗的DDS幅度控制电路 213

6．7 低功耗16位缓冲电压输出DAC 214

6．7．1 双极性电压输出电路 214

6．7．2 可编程4～20mA过程控制器电路1 215

6．7．3 可编程4～20mA过程控制器电路2 216

6．7．4 16位全隔离4～20mA电流输出模块 217

6．7．5 16位全隔离电压输出模块 218

6．8 功耗低于4mW的DAC 219

第7章 基于SoC的低功耗数据采集系统设计 220

7．1 三相多功能电能计量IC 220

7．2 12位100ksps低功耗数据采集系统（DAS） 221

7．2．1 精密定位电路 221

7．2．2 桥式传感器测量电路 222

7．3 低功耗多功能多相AFE 222

7．3．1 电气参数测量电路 222

7．3．2 低功耗测量模式与停止模式的使用 224

7．4 智能数据采样系统 228

7．4．1 16位智能数据采样系统 228

7．4．2 12／16位智能数据采样系统 228

第8章 低功耗放大器电路设计 231

8．1 单电源OP电路设计应考虑的问题 231

8．1．1 输入级和输出级 231

8．1．2 失调电压和输入偏置电流 232

8．1．3 增益与负载的关系 233

8．1．4 摆率、开环增益与输出摆幅 234

8．1．5 噪声 234

8．1．6 失真 236

8．1．7 正确地为单电源运算放大器电路提供退耦 236

8．1．8 为单电源运算放大器电路提供负电源 238

8．2 微功耗零漂移轨至轨输出的运算放大器 238

8．2．1 双向电流检测放大器电路 238

8．2．2 高增益精密直流耦合放大器 239

8．3 1．8V 330nA低功耗运算放大器 240

8．4 零漂移低噪声低功耗运算放大器 240

8．4．1 传感和检测系统对OP精度的要求 240

8．4．2 桥式传感器放大和ADC输入匹配电路 241

8．5 低功耗自动调零运算放大器 242

8．5．1 输入端保护和电源退耦电路 242

8．5．2 同相和反相放大器电路 243

8．5．3 差分放大器电路 243

8．5．4 同相差分放大器电路 243

8．5．5 桥式传感器放大电路 244

8．5．6 RTD传感器放大电路 244

8．5．7 K型热电偶传感器放大电路 245

8．5．8 失调电压校正电路 245

8．5．9 高精度比较器电路 246

8．5．10 低功耗热电偶测量电路 246

8．6 1．8V2．9μA 90kHz轨到轨运算放大器 247

8．6．1 电池电压监测电路 247

8．6．2 窗口比较器 248

8．6．3 单极性信号链配置电路 249

8．6．4 桥式传感器放大电路 249

8．6．5 电流监测电路 250

8．6．6 两运算放大器构成的差分放大器电路 251

8．6．7 气体传感器放大电路 251

8．7 微功耗精密零漂移CMOS运算放大器 252

8．7．1 K型热电偶温度测量电路 252

8．7．2 单OP桥式传感器放大器电路 252

8．7．3 电流监测电路 253

8．7．4 热敏电阻测量电路 254

8．7．5 仪表放大器电路 254

8．7．6 单电源低功耗的ECG放大器电路 254

8．8 8通道超低功耗低噪声前置放大器 255

8．9 400μA高速运算放大器 257

8．10 1．5V 11μA低功耗运算放大器 257

8．11 低功耗RF驱动放大器 257

8．12 201xA低功耗轨到轨输入／输出运算放大器 259

8．12．1 脉搏血氧仪电流源电路 259

8．12．2 四阶低通Butterworth滤波器 260

8．13 微功率轨对轨输入与输出运算放大器 261

8．14 低功耗单位增益差动放大器 261

8．14．1 仪表放大器电路 261

8．14．2 差分输出的仪表放大器电路 262

8．14．3 差分放大器电路 262

8．14．4 精密电流源电路 263

8．15 驱动高速ADC的50mw差分放大器 267

8．15．1 应用电路形式 267

8．15．2 ADC驱动电路 270

8．16 低功耗高速全差动放大器 270

8．16．1 应用电路形式 270

8．16．2 24位216kHz采样四通道音频ADC驱动电路 272

8．16．3 24位八通道l44kHz∑—△ ADC驱动电路 273

8．16．4 16位高速微功耗ADC驱动电路 274

8．17 1．5GHz电流反馈差分放大器 274

8．17．1 单端输入差分输出的ADC驱动电路 274

8．17．2 AC耦合输入电路 275

8．17．3 105 Msps 14位ADC驱动电路 276

8．18 750MHz差分ADC驱动器 276

8．19 2．2GHz高速差分ADC驱动器 277

8．20 电压输出和电流输出DAC的单端差分转换器电路 278

8．20．1 用于电压输出DAC的单端差分转换器电路 278

8．20．2 用于电流输出DAC的单端差分转换器电路 279

8．21 低功耗差分视频接收器电路 281

8．22 40μA超低功耗仪表放大器 283

8．22．1 应用电路形式 283

8．22．2 应用中应注意的一些问题 284

8．22．3 具有高通滤波器特性的放大器电路 287

8．22．4 低功耗心率监测电路 288

8．23 50μA低功耗仪表放大器 288

8．23．1 应用电路形式 288

8．23．2 输出电压偏移调节电路 289

8．23．3 提供输入共模电流通道 290

8．23．4 单电源桥式传感器电路 290

8．23．5 心电（ECG）放大器电路 291

8．24 低功耗低成本可编程增益仪表放大器电路 291

8．25 微功耗单电源满摆幅精密仪表放大器电路 292

第9章 低功耗比较器电路设计 295

9．1 比较器的选择 295

9．1．1 比较器的性能指标 295

9．1．2 可选择的比较器类型 297

9．1．3 比较器的典型应用 298

9．2 微功耗比较器 300

9．2．1 微功耗精密电池低电压检测电路 300

9．2．2 精密高温开关电路 300

9．2．3 环境温度监测用温度控制窗口检测器 301

9．2．4 双低端电流监测电路 302

9．2．5 自动关机电源电路 302

9．3 低电压低功耗上拉输出的比较器 303

9．4 低功耗高速单电源OP＋比较器＋电压基准 303

9．4．1 报警和检测器用的无线电接收器 303

9．4．2 用于遥控和数据链前端的红外线接收器 304

9．4．3 精密三角波发生器 305

9．5 1．8V纳安级功耗超摆幅比较器 307

9．5．1 过零检测器电路 207

9．5．2 逻辑电平转换器 307

9．6 利用低功耗比较器自动检测插入附件 308

9．6．1 插孔检测 308

9．6．2 耳机检测 308

9．6．3 压簧开关检测 310

第10章 低功耗滤波器电路设计 312

10．1 低功耗的开关电容滤波器 312

10．1．1 低通滤波器的频域特性 312

10．1．2 低功耗5阶低通滤波器 314

10．1．3 低功耗8阶低通滤波器 315

10．2 低噪声低失真有源RC四通道通用滤波器 315

10．2．1 175kHz 8阶Elliptic高通滤波器 315

10．2．2 100kHz 8阶带通滤波器 316

10．2．3 200kHz 9阶Elliptic低通滤波器 317

10．3 功耗可控的双通道10MHz低通滤波器 318

10．3．1 低通滤波器电路 318

10．3．2 16位差分ADC驱动电路 320

10．4 利用数字电位器实现数控低通滤波器 320

10．4．1 数控低通滤波器结构 320

10．4．2 数字电位器的选择 321

10．4．3 运算放大器的选择 322

10．5 低功耗8极点Sallen-Key Butterworth低通滤波器 322

10．5．1 8极点低通滤波器电路结构 322

10．5．2 8极点低通滤波器频率响应 324

参考文献 326