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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 SDRAM9

1．3．2 NOR Flash10

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 MSP430FG427022

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／ADuCT06127

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DMA45

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POR101

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ADC157

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ADC158

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ADC159

5．4 16位125／105／80Msps 1．8V低功耗ADC161

5．5 16位20／40／65／80Msps 1．8V双通道低功耗ADC162

5．6 12位65Msps 8通道低功耗ADC163

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ADC166

5．10 低功耗500ksps单通道／双通道12位ADC167

5．11 3V双通道8位低功耗ADC168

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∑-△ ADC173

5．13 16位／14位高精度低功耗4／6／8通道SAR ADC174

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 ADC184

5．15 8／16通道12位65Msps低功耗ADC186

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ADC189

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DAC200

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 DAC202

6．3 低功耗14位宽带串行接口乘法DAC AD5446203

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DAC206

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DAC208

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DAC212

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DAC214

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1215

6．7．3 可编程4～20mA过程控制器电路2216

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DAC219

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IC220

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AFE222

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