MAXIM Engineering User Manual

第五十六期

新闻简报 2

探讨文章 集成直流对数放大器 3

精密计时—自动化和大众化 10
用USB为电池充电 13

设计实例 利用数字电位器实现电压-电阻转换 18

利用GPIO扩展器构建电荷泵，驱动蓝光 LED 19

利用高功率USB 端口给单节2100mAh 镍氢电池充电。从端口吸取的电流为420mA。(见内文，第 13页。)

150Ω

C2

1µF

+5V

C1

USB

10µF

R1

330Ω

R3

10kΩ

R4

270Ω

THM1

R5

Q1

ZXM62P02

R2
10kΩ

Q2
ZXM61P02

CSOUT CC1
V

DD

LED1

LED1
THM1

CTST

R8

82kΩ

L1

47µH

DS2711

TMR

DMSEL

R9
110kΩ

VP1
VN1

RSNS

LED2

R6

10Ω

V

SS

B1
2100mAh

R7

0.125Ω

News Brief

MAXIM公布2005财年每股收益的年增长率高达32%

Maxim Integrated Products, Inc. (MXIM) 公布其截至2005年6月25日的财务第四季度净营业收入为400.4百万美元。
第四季度的净利润为126.1百万美元，比上年同期的124.7百万美元略有增加。第四季度稀释后的每股收益为0.37美元，
比上年同期的0.36美元增加了2.8%。第四季度的净收入、净利润和稀释后的每股收益与2005财年第三季度公布的结
果持平。

整个2005财年，Maxim公布的净营业收入为16.72亿美元，较之上一年度为14.39亿美元，增加了16.2%。2005财
年的净利润为540.8百万美元，较之2004财年公布的结果为419.8百万美元，增长了28.8%。稀释后的每股收益由2004
财年公布的每股1.20美元增加了31.7%，至2005财年的每股1.58美元。

2005财年第四季度公司的自由现金流为145百万美元，或每稀释股0.43美元，与之相比2004财年第四季度为111
百万美元，或每稀释股0.32美元。如不包括一项为解决专利许可事务而付出的40百万美元的一次性支出的话，2005
财年第四季度的自由现金流可达185百万美元，或每稀释股0.54美元。

自由现金流定义为按照公司现金流报表所公布的，在支付了所有营运费用、进行了必需的资产、厂房与设备投
资后的税后现金流量。

本季度，公司在用71.7百万美元回购了约1.8百万股自己的普通股，支付了32.7百万美元的红利，并采购了20.9
百万美元的固定设备后，现金和短期投资增加了71.5百万美元。截至年末，现金和短期投资总值达14.75亿美元。第
四季度应收账款没有变化，为192.3百万美元，库存增加8.3百万美元，至167.8百万美元。

第四季度的研发费用为84.9百万美元，或净收入的21.2%，与之对比2005财年第三季度为83.1百万美元，或净收
入的20.8%。第四季度增加的研发费用被用于雇用增加的工程师，以支持新产品开发。销售、日常行政开支从第三
季度的24.7百万美元，或净收入的6.2%，微降至本季度的23.4百万美元，或净收入的5.8%。第四季度销售及日常行
政开支的降低主要归因于诉讼费用的降低。2005财年第三和第四季度的待付支出均为净营业收入的27.0%。

第四季度的订货约为398百万美元，较第三季度的373百万美元增加了7%。Maxim的订货上升了11%而Dallas的
订货降低了7%。本季度收到的流通订单约为171百万美元，占净订货的43%，比上个季度的156百万美元，或净订货
的 42%增加了10% (流通订单是指要求在同一季度发货，如果公司存有满足这些订单的库存的话，即可在同一季度获
得销售收入的客户订单)。订货增长来自于除美国之外的所有地理区域。截至第四季度末，未来12个月内可交货的
订单约为313百万美元，其中约273百万美元的订单要求在2006财年第一季度发货。

公司董事会主席、总裁兼首席执行官 Jack Gifford评论道：“尽管我们这个行业在2005财年经历了显著的库存调
整，我们的净利润和稀释后的每股收益仍能赢得显著的增长。本年度，净利润增长了大约29%，而稀释后的每股收
益增长了近32%”。

Gifford先生继续道：“我们仍然是模拟混合信号领域提供创新器件最多的高产创造者。这也不仅仅是一个数字。
令我们骄傲的是，我们的两项新产品赢得了年度产品奖。 Electronic Products杂志将该奖项授予我们的数字视频均衡
器产品。我们的低成本、高精度模拟输出温度传感器赢得了来自于analogZONE的类似荣誉。这两个产品展示了
Maxim在模拟技术领域的深厚底蕴。”

Gifford先生总结道：“公司董事会已宣布0.10美元每股的季度现金分红。将于2005年8月30日，向2005年8月15
日登记的股东付讫。”

Maxim标志是 Maxim Integrated Products, Inc.的注册商标。Dallas Semiconductor标志是Dallas Semiconductor Corp. 的注册商标。©2005 Maxim Integrated Products, Inc. All rights reserved.

完整的Q405 新闻公报，包括安全港信息，请访问：www.maxim-ic.com.cn/NewsBrief

集成直流对数
放大器

半个多世纪以来，工程师一直采用对数放大器来压
缩信号和进行计算。尽管在计算应用中，数字IC几
乎全部取代了对数放大器，工程师还是采用对数放
大器进行信号压缩。因此，对数放大器仍旧是许多视
频、光纤、医疗、测试以及无线系统中的关键元件。

顾名思义，对数放大器的输出和输入之间为对数函
数关系 (由于对应不同的底，对数函数之间仅差一个
常数系数，因此对数的底并不重要)。利用对数函数，
您可以压缩系统信号的动态范围。将宽动态范围的
信号进行压缩有多种优点。组合应用对数放大器和
低分辨率ADC通常可以节省电路板空间，并降低系
统成本。否则，可能需要采用高分辨率ADC。而且，
通常当前系统中已经包含低分辨率ADC，或者微控
制器已内置这种ADC。转换成对数参数也有利于很
多实际应用，例如以分贝表示测量结果的应用，或
者转换特性为指数或近似指数的传感器应用。

上世纪90年代，光纤通信领域开始采用对数放大器
电路来测量某些光学应用中的光信号强度。在这之
前，精密对数放大器IC不但成本高，而且体积也较
大；只有少数电子系统能承担这种高昂的成本。这
些IC解决方案的唯一替代方案是采用分立元件构建
对数放大器。由分立元件构建对数放大器不但电路
板面积更大，而且通常对温度变化敏感，必须仔细
进行设计和布板。还需要各构成元件之间高度匹配，
以便在较宽的输入信号范围内保证良好的性能。从
那以后，半导体制造商开发出了体积更小、价格更
低的集成对数放大器产品，其温度特性较好并且也
增加了更多功能。

对数放大器的分类

对数放大器主要分为3类。第一类是直流对数放大器，
一般处理变化较慢的直流信号，带宽可达到1MHz。
毫无疑问，最普遍的实现方法是利用pn结固有的对
数I-V传输特性。这些直流对数放大器采用单极性输

入 (电流或者电压)，通常是指二极管、跨二级管、
线性跨导和跨阻对数放大器等。由于采用电流输入，
直流对数放大器通常用于监视宽动态范围的单极性
光电二极管电流——绝对值或者相对值。不但光纤
通信设备需要光电二极管电流监视功能，化学和生
物样品处理设备中也可以找到这种电路。也有其它
类型的直流对数放大器，例如基于RC电路时间-电压
对数关系的对数放大器。但是这种电路一般比较复
杂，离散性较大，分辨率和转换时间与信号有关，
并且对温度变化比较敏感。

第二类对数放大器是基带对数放大器。这类电路处
理快速变化的基带信号，适用于需要对交流信号进
行压缩的应用 (通常是某些音频和视频电路)。放大
器输出与瞬时输入信号的对数成正比。一种特殊的
基带对数放大器是“真对数放大器”，可以输入双极
性信号，并输出与输入极性一致的压缩电压信号。
真对数放大器可用于动态范围压缩，例如射频IF级
和医疗超声波接收器电路等。

最后一类对数放大器是解调对数放大器，或连续检
波对数放大器。这类对数放大器对RF信号进行压缩
和解调，输出整流信号包络的对数值。RF收发器普
遍采用解调对数放大器，通过测量接收到的RF信号
强度来控制发射器输出功率。

经典的直流对数放大器

在典型的基于pn结的直流对数放大器中，采用双极
型晶体管来产生对数I-V关系。如图1所示，运算放
大器的反馈通路采用了晶体管 (BJT)。根据所选的不
同晶体管类型 (npn或者pnp)，对数放大器分别是电
流吸收或者电流源出型 (图1a和1b)。采用负反馈，
运算放大器能够为BJT的基-射结提供足够的输出电
压，可确保所有输入电流由器件的集电极吸入。注
意，悬浮二极管方案会使运放输出电压中包含等效
输入失调；基极接地的方法则不会出现这一问题。

增加输入串联电阻后，直流对数放大器也可以采用
电压输入。采用运算放大器的虚地作为参考端，输
入电压通过电阻转换为成比例的电流。显然，运算
放大器输入失调必须尽可能小，才能实现精确的电

3

4

压-电流转换。双极型晶体管实现方案对温度变化敏
感，但采用基准电流和片内温度补偿能够显著降低
这种敏感性，下文将对此进行讨论。

详细讨论

在图2所示电路中，BJT对数放大器具有两个输入：
IIN和I

REF

。如上一节所述，输入到IIN的电流使运算

放大器A

1

输出相应的电压：

(等式1)

其中：

k

= 1.381 x 10

-23

J/°K

T

= 绝对温度 (°K)

q

= 1.602 x 10

-19

C

I

C

= 集电极电流 (mA或与

I

IN

和

I

S

的单位相同)

I

IN

= 对数放大器输入电流 (mA或与

I

C

和

I

S

的单位

相同)

I

S

= 反向饱和电流 (mA或与

I

IN

和

I

C

的单位相同)

(在等式1中，“ln”表示自然对数。在后面的等式中，

“Log10”表示以10为底的对数)。

尽管该表达式清楚地表明了V

OUT1和IIN

之间的对数
关系，但是IS和kT/q 项与温度有关，会使VBE电压产
生较大的变化。为消除IS引起的温度影响，由A3及
其外围电阻构成差分电路，将第二个结电压从V

OUT1

中减去。第二个结电压的产生方式与V

OUT1

相似，只

是输入电流为I

REF

。提供两个结的晶体管特性必须非
常一致，温度环境也必须非常接近，以实现正确的
抵消功能。

(等式2)

(等式3)

(等式4)

(等式5)

采用I

REF

带来两个好处。第一，它能够设置需要的x
轴“对数截距”电流—使对数放大器输出电压理论上
等于零的电流。第二，除了绝对测量外，还允许用
户进行相对测量。相对测量通常用于光学传感器和
系统中，在这类系统中，需要将衰减后的光源与参
考光源进行对比。

等式5仍然具有温度效应，V

DIFF

与绝对温度成正比
(PTAT)。通过加入后续的温度补偿电路 (通常是带有
电阻温度探测器 [RTD] 的运算放大器级，或者类似

图1. (a) 直流对数放大器的基本BJT 实现方案，具有电流吸收输入，

产生负输出电压。(b) 将BJT 由npn 型改为pnp 型，对数放大器
变为电流源出电路，输出为正极性。

V

CC

I

~

SRC

I

SRC

R

IN

V

IN

(a)

V

BE

V

CC

V

= -V

OUT

BE

(NEGATIVE VOLTAGE)

V

EE

V

IN

I

~

R

IN

I

SINK

SINK

V

EE

(b)

V

BE

V

CC

V

= -V

OUT

BE

(POSITIVE VOLTAGE)

V

EE

5

器件，也是增益构成的一部分)，能够有效消除PTAT
误差，产生理想的对数放大关系：

(等式6)

其中，K是新的比例常数，也称作对数放大器增益，
以V/10倍程表示。由于采用log

10

运算的比例I

LOG/IREF

确定了I

LOG

大于或小于I

REF

的10倍程数量，乘上K之

后将产生所需的电压单位。

直流对数放大器非常适合采用集成设计方案，这是
因为关键的温度敏感元件可以共同放置在电路中，
方便跟踪这些元件的温度变化。而且，在生产过程
中，也容易微调各种剩余误差。在对数放大器的数
据手册中会详细说明各种剩余误差指标。

当今的直流对数放大器

图3所示功能框图给出了一个典型的当代直流对数放

大器 (MAX4206) 的结构。与以前的放大器相似，现
今的直流对数放大器也采用了运算放大器输入结构、
BJT反馈、差分放大器和温度补偿电路等。为省去射
极的负驱动电压，重新布置了BJT晶体管电路的连接，

以便于实现单电源工作。内置通用运算放大器，可
用于实现后面的增益、失调调整甚至PID控制电路。

与以前放大器不同的是，现在的对数放大器在微小的
封装 (MAX4206采用4mm x 4mm、16引脚TQFN封装)
内集成了所有的电子电路。2001年以前，只能购买
到体积较大、采用DIP封装的直流对数放大器，其引
脚数量在14至24之间。这些早期产品价格保持在20
至100美元之间，而现在的替代产品价格为5至15美
元之间。

单电源工作是一些现代直流对数放大器的一项新革
新，非常适合单电源工作的ADC/系统。MAX4206既
可采用+2.7V至+11V单电源供电，也可采用±2.7至

±

5.5V双电源供电。采用单电源供电会产生一个后果，
即这些对数放大器通常在其输入端保持一个典型值
为0.5V的共模电压，以正确偏置求对数BJT。由于这
些对数放大器是电流输入器件，对于大多数电流测
量应用来说，这个由内部产生的共模电压通常不会
产生问题。

现在大部分直流对数放大器普遍提供片内电流基准。
该基准可连接至对数放大器的基准输入，从而允许
对对数放大器的主电流输入进行绝对测量，而不是
相对测量。对于MAX4206，其基准电流通过0.5V直
流电压源、电压-电流转换器和一个10:1电流镜产生。
需要采用外部电阻来设置所需的基准电流。

直流对数放大器还有另一个新特点，有些对数放大
器提供片内电压基准，用于调节通用运算放大器的
放大器失调。该基准也可用于其它通用目的。

应用实例

毫无疑问，直流对数放大器的大多数应用涉及光信
号测量。通常采用两种方案。在第一种方案中，单
个光电二极管连接至对数输入，而基准电流连接至
基准输入。第二种方案采用两个光电二极管，一个
连接至对数输入，另一个连接至基准输入。需要测
量光信号强度绝对值时采用第一种方案，第二种方
案用于光信号强度的对数相对测量。

图4给出了这两种方案的常用电路。在图4a中，单个
光电二极管通过检测光纤支路中 (1%) 辐射出的光信
号来测量光纤通道的光信号强度。图中所示为一个
PIN光电二极管，也可以采用雪崩光电二极管实现更

图2. 采用两个基本 BJT输入结构，并从 V

OUT1

中减去V

OUT2

，可在

输出端消除I

S

的温度影响。剩余的“PTAT”影响，可通过选
择合适的RTD (电阻温度探测器) 以及差分放大器的增益设置
电阻，使其降至最低。

V

CC

I

IN

V

CC

I

REF

Q

1

V

BE

V

CC

A

1

V

V

Q

2

V

A

2

V

OUT1

EE

V

BE

CC

V

EE

OUT2

R

1

R

R

3

4

R

2

A

3

R1 = R
R2 = R

V

OUT

3

4

高的测量灵敏度 (如果采用高电压来偏置光电二极
管，应采取正确的电源安全措施)。由于光电二极管
的输出电流通常与输入光功率成线性关系 (光电二极
管灵敏度典型值为0.1A/mW)，并且MAX4206可工作
于5个10倍程动态范围，因此这种电路能够可靠测量
10µW至1W的光纤光信号强度。注意，尽管MAX4206
能够保证工作在-40°C至+85°C温度范围内，工作温度
和光信号频率的变化会显著影响光电二极管的性能。

对于光电二极管阳极保留用于其它电路的情况，例如
许多光纤模块中的高速跨阻放大器 (TIA)，可以采用

精密电流镜/监视器置于光电二极管阴极。MAX4007
系列产品非常适合于这种应用。请参考MAX4206和
MAX4007的数据手册，了解更多详细信息。

当对数应用采用两个光电二极管时，其目的是对比
基准光源信号和基准光源衰减后的光信号。在这种
方式下，可以独立于光源光信号强度 (或者至少在光
信号强度变化不大时)，测量给定介质造成的衰减。
这种应用在许多光学气体传感器中非常普遍。在图
4b中，光源输出被等分成两路。第一路入射到基准
PIN光电二极管，其阳极馈入MAX4206的REFIIN输

6

图3. 典型的直流对数放大器，如MAX4206，集成了微调电位器和输出放大器等元件。因此只需要极少的外围元件即可正常工作。

V

CC

0.1µF

I

IN

V

CC

R

OFFSET

500Ω

C

COMP

100pF

R

COMP

100Ω

C

COMP

100pF

R

COMP

100Ω

0.1µF

R

SET

500kΩ

I

REF

LOGIIN

CMVIN

CMVOUT

REFISET

REFIOUT

REFIIN

0.5V

V

EE

V

CC

V

EE

CURRENT

MIRROR

V

CC

CURRENT

CORRECTION

DIFFERENCING

AMPLIFIER AND

TEMPERATURE

COMPENSATION

1.238

LOGV1

OSADJ

V

CC

LOGV2

R

V

EE

SCALE

REFVOUT

+

V

2

30kΩ

R

1A

10Ω

R

1B

50Ω

(FOR GENERAL USE)

MAX4206

V

EE

GND