TI大学计划数据转换原理与设计总结手册

作为世界领先的半导体产品供应商，TI 不仅在 DSP 的市场份额上有超过 65％占有率的绝 对优势；在模拟产品领域，TI 也一直占据出货量世界第一的位置。而本手册是针对中国大学 生创新活动的简化选型指南，帮助老师和同学们快速了解 TI 的模拟产品。 需要提醒大家的 是， 这本手册仅仅涵盖了 TI 模拟产品的一小部分， 如果您需要更为全面细致的选型帮助和 技术文档，请访问 www.ti.com/analog 以获取运算放大器，数据转换器，电源管理，时钟， 接口逻辑和 RF 等产品信息，访问 www.ti.com/mcu 以获得更多 MSP430,Tiva 和 C2000 的产品 信息。 众人拾柴火焰高，如果你读过本手册的前面几个版本，一定会对其中略去的几个章节耿 耿于怀，也会对其中草草结束的部分感到不满，今年在 TI 中国大学计划工程师团队的共同努 力下,我们基于 2012 年的版本将本手册进行了第一阶段的充实工作。比如我们加入了原理部 分，解读了放大器，数据转换器，电源的指标和选型方案；比如我们完善了应用技巧相关的 章节，突出了实际操作中需要注意的问题，比如噪声控制，PCB 设计，等等；比如我们开始 逐步强调模数混合系统设计的重要性，毕竟在现代的电子系统中，纯模拟的模块已经越来越 少了。诸如这些改进，都是为了把更多的业界先进技术带给高校学生，加强同学们的工程实 践能力，培养系统设计意识。 本手册将分为以下几部分介绍信号链和电源相关的知识及 TI 产品在大学生创新活动中的 应用： 第一部分：运算放大器的原理和设计，由王沁工程师整理和编写； 第二部分：数据转换器的原理和设计，由崔萌工程师整理和编写，钟舒阳和谢胜祥两位 工程师也参与了其中的部分章节； 第三部分：线性电源和开关电源的原理和设计，由胡国栋工程师整理和编写，汪帅工程 师也参与了其中的部分章节。 全书由黄争规划并进行了校对和修改。但是由于时间仓促，水平有限，手册中一定存在 不少错漏，请大家积极给予反馈，提出宝贵意见。 德州仪器中国大学计划 I TI 概览 德州仪器公司，Texas Instruments，即 TI，是总部在美国德克萨斯州的一家高科技企业。实 际上 TI 的中文名字并不是特别的“清晰明了”，一方面是容易跟咱们的山东德州（因扒鸡而闻名） 混淆；另一方面，我曾被问到，参加你们的大学计划，买示波器这类“仪器”打几折？在这些令人 哭笑不得的问题背后，其实是 TI 近 80 年的悠久历史。德州是美国的主要石油产地， 1930 年 TI 的前身“Geophysical Service Inc.”在德州成立时的主要目的是研发地震仪和石油探测仪器，因此 GSI 在 1950 年正式上市时就挑中了德州仪器这个名字。这也就是 TI 名字的由来。 在 1958 年，TI 的工程师 Jack Kailby 先生发明了世界上首颗集成电路芯片，这项发明为人类 进步做出了巨大的贡献， Jack Kailby 先生也因此在 2000 年获得了诺贝尔物理学奖。从此，半导 体业务开始在 TI 发芽。但是，60/70 年代的美国企业追求的是大而全，TI 也不例外，拥有非常多 的业务部门，这种情况一直持续到 90 年代中期。在这 30 年间，TI 在半导体研发方面一直保持着 创新，从第一颗单芯片微处理器，到最简单的数字语音合成芯片“spell & speak”，到 1982 年的 第一个单芯片数字信号处理器（DSP），到 1993 年发明的数字光源处理技术（DLP）片，半导体 业务开始在 TI 的营收中占据着越来越重要的地位。在 1995 年的时候，TI 的营收达到了 130 亿美 元，成为过百亿美元的财富 500 强，但有些业务在市场的排名并不十分理想，比如，笔记本电脑 排名第九，企业软件排名第十，打印业务排名第九，国防工业排名第十，惟一排到第一位的就是 DSP 业务。 面对更大的竞争和即将来临的网络时代，TI 高层锐意变革，在 90 年代初就非常有远见的提 出了要做“数字时代的领导者”。1996 年 Tom Engibous 出任 TI 总裁，确定了 TI 的重点在半导体 业务上，重中之重是 DSP 和 Analog。在 1996 年到 2000 年间，TI 连续卖出了 20 余家公司，又买 入了 20 余家，完成了从多样化业务到半导体专营业务的转变。从此，TI 的半导体业务进入了高 速发展期，在 DSP 方面，业界最快的 TMS320CC6000 系列、功耗最低的 TMS320C55xx 系列、第 一颗运算速度超过 1GHz 的 C64x、第一颗 ADSL 调制解调芯片、ARM+DSP 双核架构的 OMAP 处理 器等一系列领先产品的推出，使得 TI 在 DSP 领域奠定了世界第一的地位。 在模拟方面，TI 在 2000 年以当时创纪录的 60 亿美元收购了以设计和制造高端运放和数据转 换器著称的 Burr-Brown 公司，这项收购非常大胆，因为当时 TI 的年收入也只有 130 亿美元。但 是这也充分说明了模拟在 TI 战略中的重要性。接下来 TI 又收购了 Unitrode、Power Trends 等公 司来壮大自己的电源方面的实力。在 2007 年，TI 收购了 Chipcon，在低功耗无线通信领域又占据 了市场份额第一的位置。 II 在单片机方面，TI 在 90 年代末把 MSP430 从专供表类客户的应用中推到通用市场，其业界 最低的功耗，集成的高性能模拟和数字外设都倍受客户青睐；C2000 数字信号控制器因为其 DSP 的性能，单片机的价格被誉为实时单片机；而在 2009 年 TI 收购了 Luminary Micro，以最快的方 式拥有了 Cortex M3 单片机家族，TI M3 因其低廉的价格，通用的架构，不俗的性能在单片机市 场上迅速占领了一席之地。 从下面的系统框图中，我们可以清楚看到 TI 在每一个电子系统的每一个角落都占据着业界 数一数二的地位。而正因为持续不断的创新和进取，TI 连续 7 年被《财富》杂志评为全球和全美 国最受尊敬的半导体公司，评分远超其他半导体企业。 数字信号处理是对理论和实践都要求极高的一门学科，采样理论，谱分析，滤波器设计， 抽取，小信号提取，这些概念和算法包含了一大堆让人头晕眼花的数学公式。推导这些理论已经 够让人头疼，那么怎么实现它们呢？TI 从第一颗 TMS32010 问世开始就一直致力于简化工程师实 现数字信号处理算法的难度。1996 年 TI 进入中国设立办事处，当时中国熟悉 DSP 理论的人越来 越多，但是如何使用硬件来实现这些理论却是个巨大的挑战。TI 管理层敏锐察觉到这个问题， 抓住时机在中国高校中开展 TI DSP 大学计划，并在 1998 年和教育部签订谅解备忘录，承诺在中 国高校中投资建立 100 个 DSP 实验室，帮助中国高校掌握和应用世界领先的 DSP 技术。2007 年 10 月，TI CEO 理查德.谭普顿先生来访中国，宣布核心大学计划在中国正式启动，这标志着 TI 将继续扩大对中国教育界的投入，比如 TI 中国大学计划将正式扩展到模拟技术和单片机领域， 与高等学校进行合作，通过建立学生模拟创新实验室、对教师进行模拟技术和单片机相关的专业 知识培训、支持学生参加各种电子设计竞赛等形式，强调模拟及模数混合电路的重要性。