第13章模拟前端模块

可编程SC/CT模块
PSoC Creator软件工具提供了图形化接口，允许直 接对SC/CT模块进行编程。开关控制和时钟相位控制配 置由软件工具完成。
用户只需要应用程序确定使用的参数，比如：增 益，放大器极性，Vref的连接等。
可编程SC/CT模块
相同的放大器和模块接口也是可连接到电阻阵列， 可以允许建立不同的连续时间功能。放大器和电阻网络 可编程用于执行不同的功能，其中包括：
SC模块的外部元件，低阻抗用来减少增益误差。当不使
用差分模式时，将RIN连接到模拟或全局布线资源，
RLAD有很高的阻抗减少增益误差。差分放大器的输出
为：
V OUT
VOUT
Gain*(VIN
VIN )
输出的共模电压包含在输入的共模电压内，表示为：
VCM (VIN VIN ) / 2
反向(-RFB/RIN) 非反向(1+RFB/RIN)
可编程SC/CT模块 --可编程增益放大器
(a) 正向增益
(b) 负向增益
图6.16 PGA不同增益配置
(c) 差分配置
可编程SC/CT模块 --可编程增益放大器
上图给出了不同增益配置的符号描述。如上图(c)，
差分放大器使用两个背对背的放大器连接而成。RLAD是
可编程增益放大器PGA
111
跟踪和保持放大器
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
纯粹的放大器有输入和输出用 于连接到内部或外部信号，所有其 它的电阻和电容不与放大器连接。 这个放大器共有两级，轨至轨的折 叠级联的第一级和A类第二级。
单位增益的带宽大于6MHz， 输出驱动电流最大为650uA。这对于 缓冲内部的信号（比如DAC输出） 是足够的，驱动的外部负载大于 7.5kΩ。
可编程SC/CT模块 --可编程增益放大器
下表给出了PGA稳定性参数设置。
SC_RVAL[2:0] R20_40B 正向增益 BIAS_CONTROL SC_COMP[1:0 SC_REDC[1:0
]
]
0
0
1
1
2
0
0
1
1
1
2
0
1
0
2
1
2
1
1
1
2
1
2
1
10
0
4
1
0
1
10
1
4
1
0
1
11
0
8
1
0
1
11
1
3．SC_REDC[1:0] 输出和负反馈直接的反馈电容的选择用于控制稳 定性。取决于连续时间配置，这个选项通常可以产生 更高的频率零点和更低的频率极点，这样就可以降低 整体的带宽，增加了单位增益频率上的相位裕度。
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
如下表所示，这个电容通过SC[0..3]_CR[3:2]寄存器位
运算放大器模块
放大器有三个速度模式：
慢 中 快。
低速模式消耗最小的静态功耗。快速模式消耗最大 的功耗。输入能轨至轨的摆动。输出摆动能轨至轨的运 行在低电流输出，在50mV的轨迹内。当驱动高电流负载 （大约25mA），输出电压能得到500mV内的轨迹。
可编程SC/CT模块
PSoC5包含四个开关电容/连续时间（SC/CT）模 块。
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
这个模块有三个控制选项用于修改闭环带宽和稳定 性：
通过放大器第一级的电流（BIAS_CONTROL）， 运放输入和输出之间密勒电容（SC_COMP[1:0]）， 输出和负输入端之间的反馈电容（SC_REDC[1:0]），
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
图 运算放大器内部结构
运算放大器模块
在任何一种配置中，输入和输出信号能全部连接到内 部全局信号，使用ADC或者比较器对其进行监测。通过在 信号和GPIO引脚之间切换来实现配置。下图给出了放大 器的配置。
运算放大器模块
(a) 电压跟随器
(b) 外部独立放大器
(c) 内部独立放大器 运算放大器的配置
纯粹放大器的配置
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
SC/CT模块驱动控制设置
SC_DRIVE[1:0] 00 01 10 11
I_load(Ua) 280 420 530 650
为了提供不同的负载条件，补偿电容和输出级驱动能 力是可编程的。
来自信号摆率和时间所要求的最小的抖动率及负载电 容决定了应用。这些是稳定性最基本的考虑。
8
1
0
1
100
0
16
1
1
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
100
1
16
1
1
1
可编程SC/CT模块 --可编程增益放大器
SC_RVAL[2:0 ]
101
R20_40B 0
正向增益 24
BIAS_CONTROL 1
SC_COMP[1:0 ]
1
SC_REDC[1:0] 3
101
1
32
1
1
3
110
0
24
1
0
2
110
1
48
1
1
0
111
0
25
纯粹的运算放大器-连续模式； 单位增益缓冲区-连续模式； 可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）-
连续模式； 互阻放大器（Transimpedance Amplifier，TIA）（也称为电
流-电压转换器）-连续模式； 上/下混频器-连续模式； 采样和保持混频器(NRZ S/H)-开关电容模式； 一阶模拟-数字调制器-开关电容模式；
2．SC_COMP[1:0] 设置放大器内的补偿电容。该设置直接影响放大器 的带宽增益。下表给出了放大器的输入和输出之间的密 勒电容的选择。
密勒电容的选择
SC_COMP[1:0] 00 01 10 11
Cmiller(pF) 1.30 2.60 3.90 5.20
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
模拟比较器模块 --输入和输出接口
到比较器的正和负输入来自模拟全局总线，模拟复 用线，模拟本地总线和高精度的参考源。
从比较器的输出能布线到两输入LUT的任何一个， LUT的输出布线到UDB数字系统接口。
下图给出了模拟比较器的结构图。
模拟比较器模块 --输入和输出接口
图 放大器结构
模拟比较器模块 --LUT
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
I load
Cload
V t
其中：Cload包括放大器输出节点的电容和外部容性 负载。来自模拟总线布线的标称为10pF的电容用于内部 负载。如下表，根据SC[0..3]_CR[1:0]寄存器位的输出抖 动率要求，设置SC_DRIVE[1:0]驱动控制。
PSoC包含4个LUT。LUT有两个输入，一个输出。 LUT由比较器驱动。LUT的输出布线到UDB阵列的数字系 统接口。从UDB阵列的数字系统接口，这些信号能连接到 UDB，DMA控制器，I/O或者中断控制器。
LUT控制字写入寄存器，用于设置输出的逻辑功能。 下表给出了LUT功能和程序字的输入。
模拟比较器模块 --LUT
1
0
2
111
1
50
1
1
0
可编程SC/CT模块 --互阻放大器
互阻放大器（Transimpedance Amplifier,TIA），也称 为电流-电压转换器，将电流转换成电压的模块，图给出 了互阻放大器的符号图。典型的应用包括用电压测量电路 或仪器测量电流，或者建立一个电流控制的电压源。
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
推荐的稳定性设置
SC_MODE[2:0]
001 010 011
100 101 110
111
操作模式
互阻放大器模式 连续时间混频器 离散事件混频器-
NRZ S/H 单位增益放大器
一阶调制器 可编程增益放大器
PGA 跟踪和保持放大器
BIAS_CONTROL 1 1 1 1
可编程SC/CT模块
SC/CT模块的操作模式通过在SC[0..3]_CR1寄存器的 MODE[2:0]位来设置。
SC/CT操作模式
SC_MODE[2:0]
操作模式
000
纯粹放大器模式
001
互阻放大器模式
010
连续时间混频器
011
离散事件混频器-NRZ S/H
100
单位增益放大器
101
一阶调制器
110
下图给出了SC/CT模块的结构图。每个开关电容 /连续时间模块建立一个带有开关、电容和电阻阵列 的轨至轨的放大器。
可编程SC/CT模块
SC/CT模块结构
可编程SC/CT模块
开关电容是一种电路设计技术，使用电容脉冲开关 （而不使用电阻）创建一个模拟功能。这些电路通过在电 容之间打开和关闭不同的开关，搬移电荷（charge）来运 行。非重叠相位的时钟信号控制开关，所以不会同时打开 所有的开关。
50
带宽 6.0MHz 340kHz 220kHz 215kHz
可编程SC/CT模块 --可编程增益放大器
PGA能被配置为正向增益或者反向增益的结构，或 者差分放大器的一半。下表给出在寄存器SCL[0..3]_CR1 的SC_GAIN[5]位来确定增益。
表 PGA增益配置
SC_GAIN 0 1
GAIN
1
SC_COMP[1:0 ] 3 2 2
2 1 详见后面
2
SC_REDC[1:0] 3 1 0 0 0
0
可编程SC/CT模块 --单位增益
如下图，单位增益缓冲区是一个纯粹的放大器，其
输出直接连接到反向输入，增益为1.00。大于6MHz有-3dB
带宽。
单位增益放大器用于一个内
部产生的高输出阻抗的信号，比
1．BIAS_CONTROL 该选项将通过放大器级的电流加倍（设置 SC[0..3]_CR2[0]寄存器位）。连续模式下的AC开环稳定性 分析表明，即这个选项设置为1，然后使用电容选项 控制带宽/稳定性，一旦电路稳定后，比在第一级设置小 电流将获得更大的整体带宽。
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
如电压DAC输出，要求驱动一个
负载，或者当一个高阻抗外部源
单位增益放大器
要求驱动一个片上的负载，比如：连续时间混频器。
可编程SC/CT模块 --可编程增益放大器
PGA放大一个内部或外部的信号。PGA能配置成运行 在反相和非反相模式。PGA能配置成正和负增益分别高达 50和49，可以通过调整R1和R2来改变增益。
模拟比较器模块
PSoC提供了最多4个比较器，其特点主要有：
输入偏置小于5mV； 轨至轨共模输入范围Vssa-Vcca； 通过使用快速、慢或超低功耗在速度和功耗之间进行权衡； 比较器输出能布线到查找表（Look Up Table，LUT），执行
简单的逻辑功能，然后也能布线到数字模块； 比较器的正输入可以选择穿过一个低通滤波器； 比较器输入能连接到GPIO，DAC输出和SC模块输出；
下图给出了PGA的结构图。通过切换输入复用器上的 共享选择值来改变其同相和反相。
PGA的结构图
可编程SC/CT模块 --可编程增益放大器
表给出了增益和带宽的对应关系。
PGA应用于输入信号不够
大，能达到ADC的分辨率，
增益 1
或者其它SC/CT块动态范围。
24
增益是实时调整，
48
包括改变PGA的增益。
1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
输出（A和B是LUT的输入）
A NOR B A XNOR B
NOT B A OR (NOT B)
NOT A (NOT A) OR B
A NAND B TRUE(‘1’)
运算放大器模块
PSoC5包含最多4个通用运算放大器，运算放大器是 独立的，使用外部或内部信号能将运算放大器配置成一 个增益级或者跟随器。下图给出了运算放大器的内部结 构。
LUT和程序字
控制字（4位二进制数） 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
输出（A和B是LUT的输入） FALSE(‘0’) A AND B
A AND (NOT B) A
(NOT A) AND B B
A XOR B AOR B
模拟比较器模块 --LUT
控制字（4位二进制数）
第13章 模拟前端模块
何宾 2011.12
本章内容
本章主要是介绍PSoC3内的模拟前端模块，这些模拟 前端模块包括：模拟比较器、运算放大器模块、可编程 SC/CT模块、温度传感器模块和基于这些模拟前端的一些 典型模拟单元电路的实现。
模拟前端模块为PSoC3提供了强大的模拟可编程能力 ，也是PSoC3比其它MCU功能更加强大的一个具体的体现 。PSoC3的模拟前端模块的使用提高了系统可靠性和系统 设计成本。通过本章内容的学习，一方面，了解并掌握模 拟前端模块的工作原理；另一方面，能使用模拟前端模块 构造一些复杂的模拟调理前端电路。
来设置值。
CFB的设置
SC_REDC[1:0] 00
CFB(pF) 0.00
01
1.30
10
0.85
11
2.15
可编程SC/CT模块 --单纯的放大器
如下表，给出了每种模式下的推荐的稳定性设置。 对于TIA模式，模拟全局负载的模型是：在输入10pF电容 和150Ω开关电容阻抗，加入额外的40pF电容的输入用来建 模输入二极管电容。