www.analog.com/analogdialogue

本期介绍编者寄语. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

减小DC/DC变换器中的接地反弹 —— 一些接地要点 . . . . . . . . 3

应用工程师问答——37低压差稳压器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

运动原理：用于直观游戏设计的三维传感器. . . . . . . . . . . . . . . . . 11

新产品要目和作者简介. . . . . . . . . . . . . . 15

现实世界信号处理电路、系统和软件技术交流论坛

2007年第41卷第2期

编者寄语接地、稳压器和游戏机虽然从交流和直流特性两种通常情况，已经多次

讨论保持真正接地的困难。然而，对于像快速、

重复切换大电流的降压型和升压型开关稳压器

这类电路，可能产生很大的瞬态接地误差。“接

地反弹”现象的起因可以用通俗易懂的术语来解

释，从而获得一种从逻辑上将瞬态接地误差减到

最小的设计PC卡的合理方法——本文从第3页

开始。

低压差稳压器 (LDO)是一种当上游电压很低时（常规稳压器的输出电

压开始下降）防止电路不受电池放电曲线影响的简便方法。本文从第8

页开始讨论LDO设计的一些优点。

Nintendo Wii在这篇文章中介绍了他能够成功进入游戏市场的传奇故

事。这种流行的游戏机的关键内部部件是一种3轴加速度计，它能够

使玩游戏的人使用类似于在玩电子游戏机真实游戏中所采用的自然动

作。本文从第11页开始讨论在使游戏机提供更友好的用户界面过程中，

如何发挥iMEMS集成微电子机系统的动态作用。

最新授予两名ADI公司院士Colin Lyden 博士和 Zoran Zvonar 博士在ADI公司2007年全球技术论坛

（GTC）宣布晋升为ADI公司院士——公司最高荣誉。这次大会吸引了

ADI公司设计网站遍布世界各地的大约1900位工程师的关注。

授予A DI院士为最杰出的工程师精英荣誉，他们为A DI公司的业务发

展作出了巨大的贡献，并且证明了具有重大质量管理能力，例如创新能

力、领导能力、企业家能力和咨询能力。此外，一位ADI院士必须是能

够在各部门之间起到桥梁作用并且证明在公司内具有卓越的培训和指

导他人能力的公司特使。根据这次最新的就职大会，实施公司院士计划

的第27年，ADI公司从遍布全世界的3,500名工程师中已经授予共计33

名公司院士。

“凭借技术卓越和不断创新使ADI公司出类拔萃，” ADI公司主管研

究和开发的副总裁Sam Fuller先生说。“我们为拥有像Colin 和Zoran这

样杰出的工程师选择在ADI公司工作而感到幸运，他们卓越的业务专长

在公司内外享有盛誉。他们的工作成绩已经挑战了公司的传统知识，增

强了我们对新产品性能的雄心，而且起到鼓舞下一代工程师继续保持

ADI公司创新记录的作用。”

Colin Lyden于1984年获得爱尔兰科克大学学院

的博士学位。他于1999年加入ADI公司，就任工

程总监，负责领导爱尔兰利默里克计算机辅助设

计（CAD）部和ADI科克设计中心。他富于创造

性的思想和工作使Σ-Δ型模数转换器（ADC）、

逐次近(SAR)型ADC和流水线型ADC体系结构

之间的传统差异不再明显，从而改进了多种ADI

产品的性能，包括A D7982和A D7767 SA R型

ADC。

Colin获得15项美国专利权，这些专利为新一代CT医学图像模拟前端设

计提供领先的体系结构，并且在成本和性能上都有所突破——已经用

于新一代薄层高分辨CT中。

Zoran Zvonar于1993年获得美国波士顿东北大

学博士学位，他于1994年加入ADI公司成为公司

最早的专门从事通信算法的系统工程师之一。

Zoran作为一名具有多种通信应用无线系统设计

经验的专家，已经在主要技术期刊上发表了大量

的文章。同时他也是IEEE通信杂志的编辑和几

本主要关于GSM和第三代无线通信系统著作的

合著者。

Zoran开发并且验证了一种用于无线手机的取得重大突破的系统方法，

从而获得了两项专利权并且将直接下变频技术——把模拟射频（RF）

信号直接转换成数字基带数据——成功地应用于GSM无线通信标准。

他是ADI公司 SoftFone®和 Othello®无线产品系列的核心技术设计团队

的一位成员。

Dan Sheingold [dan.sheingold@analog.com]

GPS导航去年11月我在售后市场为我的汽车购买了一台很

便宜的全球定位系统（GPS ）导航系统。这个系

统即便是在熟悉的地区也很有用，它会提醒我注

意下一个转弯，它可以在一个驾车专用车道上画

出一条形象的路线图，有时候也会教我条新的捷

径。在长途旅行中它还提供娱乐功能，它会不停

地计算剩下的路程和时间，它的高度可视化进程

显示使得目的地比实际上看起来要近一些。当然，它的主要目的是画出

一条到达一个陌生地方的行车路线。音频与可视线索相结合使寻址容

易，并且路线选择项提供了一种选择最短路径或最快路径的简单方法，

以避免经过收费公路的或当地公路，绕道而行。

尽管如此，它的一个隐藏优点是利用收集广泛的兴趣点来指明未知地

区可用的信息。最近，一位来自康涅狄格的朋友要在罗得岛的查尔斯敦

与我会面，这个小镇大概在我和他的家所在地的中间。我们对这个地方

都不熟悉。到达那里以后，我们发现原来选定用午餐的饭店已经关门

了。不用担心——GPS给我们指出了另外几家当地的饭店以及小镇的海

滩、两个国家级野生动物保护公园和一个十七世纪的磨坊。GPS帮助我

们在一个美丽又陌生的小镇里度过了愉快的一天。

然而，我对这款低端GPS系统有三点不满意的地方。首先，也是最严重

的，随着新英格兰的夏日气温不断升高，触摸屏的反应越来越慢。虽然

打开空调几分钟后这个问题就解决了，但是我很喜欢阳光，要打开车顶

篷。GPS生产商没有使用ADI公司的电容数字转换器(CDC)实在是太糟

糕了，这种CDC具有片内校准逻辑，可以补偿温度和湿度变化带来的影

响。

第二个问题是，当我穿过波士顿的大挖掘隧道的时候，GPS就没信号

了，从而不能继续指示方向，也不能对岔路和出口提供指示。它没有采

用ADI公司的加速度计实在太糟糕了，这种加速计的惯性导航能力在暂

时失去信号的时候可以继续提供位置信息。

第三个小抱怨是配件市场的GPS不能连接到汽车的立体声系统，所以

当需要提供发声导向时它不能关断音乐。幸运的是，我的GPS系统在每

个拐弯的地方会发出几个警告，所以在必要的时候让我把收音机的声

音调小一点。

请问读者：您的GPS的最佳功能是什么，或者对您对GPS的最大抱怨是

什么？请问设计师：我们预期下一代GPS会怎样？欢迎参加讨论。

Scott Wayne [scott.wayne@analog.com]

www.analog.com/analogdialogue dialogue.editor@anal og.com《Analog Dialogue杂志》是ADI公司于1967年创办的免费技术杂志，至今已经连续出版41年。其内容包括用于模拟信号、数字信号和混合信号处理的产品、应用、工艺和技术。《Analog Dialogue杂志》目前以两种版本发行：在线版《Analog Dialogue杂志》（www.analog.com/analogdialogue），每月发行一期；印刷版《Analog Dialogue杂志》，每年发行四期，作为对在线版《Analog Dialogue杂志》中技术文章的定期回顾和收集。在线版《Analog Dialogue杂志》除了技术文章以外，还及时发布新闻，链接发布的最新产品和预发布产品的技术资料，以及“链接集锦（Potpourri）”栏目，其中包括从ADI网站和其它网站获得重要相关信息和活动信息并且快速繁衍的通用链接网址。《Analog Dialogue杂志》网站的作用是一个进入ADI公司网站（www.analog.com）——ADI公司的实际世界的“高通滤波器”。从历史文献角度来看，《Analog Dialogue杂志》网站还收集了自1967年第1卷第1期创刊至今的每期存档，并且包括三期纪念特刊。

如果您想订阅印刷版《Analog Dialogue杂志》，请访问www.analog.com/analogdialogue并且点击<subscribe>按钮。欢迎提出您的宝贵意见；请发电子邮件到：dialogue. editor@analog.com，或发给主编Dan Sheingold：dan.sheingold@analog.com，或发给管理编辑与出版人Scott Wayne：scott.wayne@analog.com。

2 ISSN0161-3626©AnalogDevices,Inc.2007

AnalogDialogue第41卷第2期 3

减小DC/DC变换器中的接地反弹——一些接地要点By Jeff Barrow(jeff.barrow@analog.com)

电路接地1在电路原理图中看起来很简单；但是，电路的实际性能是由其印

制电路板（PCB）布局决定的。而且，接地节点的分析很困难，特别是对于

DC/DC变换器，例如降压型和升压型变换器，这些电路的接地节点会聚快

速变化的大电流。当接地节点移动时，系统性能会遭受影响并且该系统会

辐射电磁干扰（EMI）。但是如果很好地理解“接地“引起的接地噪声的物

理本质可提供一种减小接地噪声问题的直观认识。

接地反弹（Ground bounce）简称地弹会产生幅度为几伏的瞬态电压；最

常见的是由磁通量变化引起的。传输电流的导线环路实际上构成了一个

磁场，其磁场强度与电流成正比。磁通量与穿过环路面积和磁场强度乘

积成正比。

磁通量∝磁场强度×环路面积

更精确的表示是，

ΦB = BA cosφ

其中磁通量ΦB等于磁场强度B乘以穿过环路平面A和磁场方向与环路平

面单位矢量夹角φ的余弦。

图1示出了磁通量与电流之间的关系。一个电压源驱动电流克服电

阻沿导线环路流动。电流与环绕导线的磁通量相关联。为了将不

同的物理量联系起来，可以考虑用你的右手握住导线（应用右手

定则）。如果你的拇指指向电流的方向，那么你的其它手指将沿

磁场磁力线方向环绕导线。因为那些磁力线穿过环路，所以形成

了磁通量，在本例中磁通量方向为穿入页面。

环路面积

磁场穿入页面

磁通量指穿

过环路面积的磁场+–

VDC

图1. 右手定则

改变磁场强度或环路面积都会引起磁通量变化。当磁通量变化

时，在导线中产生与磁通量变化率dΦB/d t成正比的电压。应该注

意的是，当环路面积固定，电流变化；或者电流恒定，环路面积

变化；或者两种情况同时变化——都会改变磁通量。

例如，假设图2中的开关突然断开。当电流停止流动时，磁通量

消失，这会沿导线各处产生一个瞬态大电压。如果导线的一部

分是一个接地返回引脚，那么以地电平为参考端的电压会产生一

个尖峰，从而在任何使用该引脚为接地参考端的电路中都会产生

错误信号。

+

+ –

+ –

–VDC

开启图1中的开关，磁通量变为零，

同时沿导线各处产生电压。

产生的电压= 接地反弹

图2. 开启开关的作用

通常，PCB印制线电阻上的电压降不是接地反弹的主要来源。1 盎

司（oz）铜的电阻为500 微欧/方数（µΩ/□），因此1 A电流变化

只能产生500 µV/□的反弹电压——问题只存在于采用细长印制线

或菊花链式接地或精密电子电路。

寄生电容器的充电和放电为瞬态大电流返回到地提供了一条路

径。由于电流变化引起的磁通量变化也引起接地反弹。

在DC/DC开关电源中减少接地反弹的最好方法就是控制磁通量变

化——使电流环路面积和环路面积变化最小。

在某些情况下，例如图3所示，电流保持恒定，而开关切换引起

环路面积变化，因此产生磁通量的变化。在开关状态1中，一个

理想的电压源通过理想导线与一个理想电流源相连。电流在一个

包含接地回路的环路中流动。

在开关状态2中，当开关改变位置时，同样的电流在不同的路径中

流动。电流源为直流（DC），且并没有变化，但环路面子发生了

变化。环路面积的变化意味着磁通量的变化，所以产生了电压。

因为接地回路为变化环路的一部分，所以它会产生反弹电压。

+–

VDC

DC

I

返回路径

返回路径

状态1：DC电压源相

连到DC电流源

+–

VDC

DC

+

–

+

–+ –

– +

磁场磁力线消失

TP1 = 0V TP2 = 0V

TP3 IS SETTO GND = 0V

GROUND BOUNCE

状态2：DC电流源接到

返回路径

I1 I2

在开关变化的情况，环路面积变化。在左下脚沿着导线的各处，

当电流I1变为0安培（A）时，在磁场消失的地方产生电压。

包含磁通量的环路面积

包含磁通量的环路面积

新的环路面积

图 3

降压型变换器的接地反弹为了讨论方便，将图3中的简单电路变换成与其类似的电路——图4

中的降压型变换器。

4 AnalogDialogue第41卷第2期

CBUCK–VOUT

+

引线电感 LBUCK

SWITCH

开关

负载+

–VIN CVIN

+–

VDC IDC

图4. 对于高频开关，大电容CVIN和大电感LBUCK可以看作一个电压源和电流源

在高频时，一个大电容器——例如降压型变换器输入电容器，CVIN——可

以看作一个DC电压源。类似地，一个大电感器——例如降压型变换器

输出电感器，LBUCK——也可以看作一个DC电流源。所做的这些近似有

助于直观理解。

图5示出当开关在两个位置之间交替切换时磁通量如何变化。

引线电感LBUCK

VIN CVIN

+VOUT

变化的环路面积 接地反弹+ –

开关1

2 负载

CB

UC

K+–

图5. 开关对环路面积的影响

大电感器LBUCK使输出电流大约保持恒定。类似地，大电容器

CVIN保持电压大约等于VIN。由于输入引线电感两端的电压不

变，所以输入电流也大约保持恒定。

尽管输入电流和输出电流基本不变，但当开关从位置1切换

到位置2时，总环路面积会迅速变为原来的一半。环路面积

的变化意味着磁通量的快速变化，从而沿着接地回路引起接

地反弹。

实际上，降压型变换器由一对半导体开关构成，如图6所示。

虽然每个图中的复杂程度增加，但是通过磁通量变化引起接

地反弹的分析方法仍然很简单和直观。

引线电感LBUCK

高端开关

低端开关

控制

+–

VINCVIN

+VOUT

接地反弹地+ –

环路面积变化大有害

负载

CB

UC

K

图6. 采半导体开关对分析接地反弹的基本原理不变

事实上，磁通量的变化会沿着接地回路各处都产生电压，这就带来了

一个有趣的问题：哪里是真正的地？因为接地反弹意味着，相对于称

作地的某个理想点（那一点需要定义），在接地返回印制线上产生一

个反弹电压。

在电源稳压器电路中，真实的地应该连接在负载的低压端。毕竟，

DC/DC变换器的目的是为负载提供稳定的电压和电流。电流回路上

的其它所有点都不是真正的地，只是接地回路的一部份。

由于在负载的低压端接地并且环路面积的变化是接地反弹的原因，

图7显示了如何精心地放置CVIN通过减小环路面积变化的比率降低

接地反弹。

引线电感LBUCK

高端开关控制

+–

VINCVIN

+VOUT

无接地反弹 地

环路面积__

变化小有益 __ 负载

CB

UC

K

图7. 精心放置CVIN可以大大减小接地反弹

电容器CVIN旁路PCB顶层的高端开关直接到达底层低端开关

两端，因此减小了环路面积的变化，将其与接地回路隔离。

当开关从一种状态切换到另一种状态时，从VIN的底部到负载

的底部，无环路面积变化或开关电流变化。因此接地回路没

有发生反弹。

高端开关

控制

低端开关

L

负载

地

VOUT

由于磁通量变化引起的接地反弹+ –

环路面积变化

VIN

V=地

CV

IN

CB

UC

K

图8. 当开关从一种状态切换到另一种状态时不合理的布线会导致电流环路面积大幅变化。

AnalogDialogue第41卷第2期 �

实际上，PCB布线本身决定了电路的性能。图8为图6中降压

型变换器电路原理图的PCB布线图。当开关处于状态1所示的

位置，高端开关闭合，DC电流沿着外圈红色环路流动。当开

关处于状态2所示的位置，低端开关闭合，DC电流沿着蓝色

环路流动。注意由于环路面积变化引起磁通量变化。因此产

生电压和接地反弹。

为了清晰起见，在单层PCB上实现布线，但即使使用第二层整

块接地平面也无法解决接地反弹问题。在展示改进布线图之

前，图9给出了一个简单例子说明地平面无法解决问题。

外部处理切割地平面会消除接地反弹C

VIA

无接

地反

弹

地平面切割限定的

电流环路面积

C

过孔 VG

RO

UN

D_B

OU

NC

E+

–

电流环路面积变化

导致接地反弹

底层的地平面 底层的地平面

图9. 整体地平面并不总是一个好方法

这里，我们采用双层PCB以便在与顶层电源线垂直处附加一个旁路电

容。在左边的例子中，地平面是整体的并且未切割。顶层印制线电流通

过电容器流过，穿过过孔，到达地平面。

因为交流(AC)电总是沿着最小阻抗路径流动，接地返回电流绕着其

路径拐角返回电源。所以当电流的幅度或频率发生变化时，电流

的磁场及其环路面积发生变化，从而改变磁通量。电流沿最小阻

抗路径流动的规律意味着，即使采用整体地平面也会发生接地反

弹——与其导通性无关。

在右边的例子中，一个经过合理规划切割的地平面会限制

返回电流以使环路面积最小，从而大大减小接地反弹。在

切割返回线路内产生的任何剩余接地反弹电压与通用地平

面隔离。

图10中的PCB布线利用图9中示出的原理减小了接地反弹。

采用双层PCB板以便将输入电容器和两个开关安排在地平

面的孤岛上。

这种布线不必最好，但它工作很好，而且能够说明关键问

题。应该注意红色电流（状态1）和蓝色电流（状态2）包

围的环路面积很大，但两个环路面积之差很小。环路面积

变换很小意味着磁通量的变化小——即接地反弹小。（然

而，一般情况下，也要保证环路面积小——图10只是为了

说明AC电流路径匹配的重要性。）

另外，在磁场和环路面积发生变化的接地回路孤岛内，沿

着任何接地回路引起的接地反弹都受接地切割限制。

此外，可能第一眼看上去，输入电容器CVIN好像没有位于图

7中所示的顶层高端开关和低层低端开关之间，但进一步观

察才会发现是这样。尽管物理邻近可以很好，但真正起作

用的是通过最小化环路面积实现的电子接近。

底层的地平面

控制

VIA

CB

UC

K

VOUT

VIA过孔过孔 VIA

VIA

低端开关

L 负载

VIN

顶层

高端开关

CVIN

环路变化的长度

地平面返回电流

两种状态重叠环路面积 环路面积的变化=长度 x 板厚

图10. 合理的降压型变换器布线可以使状态1和状态2之间的环路面积变化很小。

6 AnalogDialogue第41卷第2期

升压型变换器中的接地反弹升压型变换器实际上是降压型变换器的反射，因此——如图11所示——它是输出电容器，输出电容器必须放在顶层高端开关和底

层低端开关底端之间以使环路面积变化最小。

(a) 不合理设计

(b) 合理设计

–

VOUT

+

LBOOST开关

CVOUT

1

2负

载+–

VIN

环路面积变化小以便磁通量变化小，所以接地反弹也小。

CVOUT

–

VOUT

+

LBOOST开关

接地反弹电压

变化环路面积

+ –

1

2

负载+

–VIN

图11. 按照降压型变换器将CVIN放在关键位置相同的方法，

升压型变换器将CVOUT放在关键位置。

a)不合理设计，b)合理设计。

小结

接地反弹电压主要是由于磁通量变化引起的。在DC/DC开关电源

中，磁通量变化是由于在不同的电流环路面积之间高速切换DC电流引起的。但是精心放置降压型变换器的输入电容器和升压型变

换器的输出电容器并且合理切割接地平面可以隔离接地反弹。然

而，重要的是当切割地平面时必须谨慎以避免增加电路中其它返回

电流的环路面积。

另外，一个合理的布线应该将真正的地放在连接负载的底层，不会引

起环路面积的变化或电流的变化。任何其它与导通相关的点都可以

称为“地”，但它只是沿着返回路径的一点而已。

其它用于接地分析的有用概念如果你牢记下述基本概念，你就会清楚地知道什么情况会产生接地

反弹，什么情况不会产生接地反弹。图12示出了相互垂直的两个导体

不会遭受磁场的互相影响。

电流流动方向

电流流动方向

磁场穿入垂直印制线的

PCB产生的正电压和负

电压在水平印制线处抵消

图12. 相互垂直的两个导体不会遭受磁场的互相影响。

沿着相同方向传输相等电流的两条平行导线周围产生的磁力线在两条

导线之间处会相互抵消，所以两条导线总储存能量要比单独一条导线

储存的能量少。因此，PCB宽印制线的电感要比窄印制线小。

电流流动方向

电流流动方向

增加

增加

抵消

图13. 电流沿着相同方向流动的两条平行导线

沿着相反方向传输相等电流的两条平行导线周围产生的磁力线在两

条导线的外部相互抵消，而在两条导线之间处增强。如果内部环路

面积缩小，那么总磁通量，所以电感也随之变小。该现象可以解释为

何AC地平面的返回电流总是沿顶层印制线导线下方流动。

电流流动方向

电流流动方向

抵消

磁场叠加，

所以如果间距=0，那么电感=0

抵消

图14. 电流沿着相反方向流动的两条平行导线。

图15示出了为何拐角增加电感。一条直导线只能看到它自己的磁场，但

是在拐角处，还能看到垂直导线的磁场。因此，拐角储存了更多的磁场

能量，其电感要大于直导线。

电流流动

方向

垂直印制线看到了它自身的磁场和水平印制线的

磁场——类似地，对于水平印制线也是如此。

拐角处增加电感。

图15. 为何拐角增加电感

AnalogDialogue第41卷第2期 7

图16示出了在传输流的导线下面切割接地平面，由于转移回路电流可

增加环路面积，从而增大环路尺寸并且助长接地反弹。

VIA 过孔

切割接地平面增加电流环路面积__ 助张接地反弹电压 __

拐角增加电流环路面积__ 助张接地反弹电压 __

信号电流在顶层印制线上流出

AC电流源+DC电流源地平面

助张接地反弹电压 +–

AC返回路径

DC返回电流路径

GROUND

BOUNCE +

–

GROUND

BOUNCE

+

–

图16. 返回电流沿着最小阻抗路径流动

元件方向的作用，如图17所示。

合理布线

——电容器与电流流动方向一致

——环路面积小

不合理布线

——电容器与电流流动方向垂直

底层布线会产生接地反弹

地平面

VIA VIA

C电流流入

电流流出

C

过孔 接地反弹电压

+–

电流环路面积

电流流入

电流流出

图17. 元件方向的影响。

总结

接地反弹一直是一个潜在的问题。对于监视器或电视，它意味着图像

有噪声；对于音频设备则意味着噪声本底。在数字系统系统中，接地

反弹可能会导致计算错误——甚至是系统崩溃。

对于预测接地反弹幅度来说，仔细估计寄生元素和细致的仿真是有

效的方法。但对指导电路设计的直觉，理解背后的物理原理是很必

要的。

首先，设计PCB时，应该将负载的低压端设置为真正的地。

然后，用电流源和电压源容替大电感器和电容器以简化电路动态特

性。观察每种开关组合下的电流环路。应该使环路重叠；如果无法做

到重叠，应该精心地在地平面上切割出一个小岛以确保只有DC流入

和流出孤岛开口。

在大多数情况下，经过这些努力可以获得可以接受的接地性能。如果

还是不能，应该首先考虑地平面的电阻，然后考虑所有开关和进入返

回路径的寄生电容器两端流过的位移电流。

无论什么电路，基本接地原理都是相同的——应该使磁通量的变化

最小或者对它隔离。

尾注

1 在Analog Dialogue杂志已经发表了许多关于“接地”问题的文章。这

些文章可以在我们的综合在线存档文件中找到。Paul Brokaw和本文作

者合作撰写的一篇文章，见23-3 (1989) pp. 7-9。其中包括与接地和噪

声相关的早期参考文献索引。相关资料见11-2 (1977) pp. 10-15; 25-2

(1991) pp. 24-25; 26-2 (1992) p. 27 （包含一系列很好的参考文献）；

30-2 (1996) p. 11 （包括EMC/EMI/ESD方面的参考文献）；39-3 (2005)

pp. 3-8。研讨会教材《High Speed System Applications（高速系统应

用）》，Walt Kester和Hank Zumbahlen编著，ADI公司出版 (2006)，书

中有大量章节介绍PCB布线和设计工具(pp. 4.1-4.90)。其它相关文章

还有“Reducing ground bounce in dc/dc-converter applications（减小

DC/DC变换器应用中的接地反弹）”，Jeff Barrow，EDN, 7/6/2006。

本文HTML和PDF格式文件可从网页http://www.analog.com/analogdialogue获取。先点击archives(存档文件)，然后选择卷、期号和题目。

Analog Dialogue杂志第 23卷第3期,第7～9页

� AnalogDialogue第41卷第2期

应用工程师问答—37低压差稳压器By Jerome Patoux (jerome.patoux@analog.com)

本文介绍低压差稳压器（LDO）的基本结构和使用技巧以确保

其稳定工作。我们还讨论ADI公司LDO系列产品的设计特点，这

些特点可提供一种保持动态稳定性和直流（DC）稳定性的灵活

方法。

问：什么是LDO？如何使用它们？

答：稳压器用于提供一种不随负载阻抗、输入电压、温度和时

间变化而变化稳定的电源电压。低压差稳压器因其能够在

电源电压（输入端）与负载电压（输出端）之间保持微小

压差而著称。例如，如果锂电池电压从4.2 V（全充电）下

降到2.7V（几乎全放电），而LDO可在负载端保持2.5 V恒

定电压。

便携式应用的日益增加使得设计工程师考虑使用LDO保持所

需的系统电压，而与电池充电状态无关。便携式系统不是受

益于LDO的唯一应用，任何需要稳定恒定电压，同时使上流

电源电压最小（或者能处理上流电源大幅度波动）的设备都

可以考虑使用LDO。典型实例包括使用数字和射频（RF）

负载的电路。

“线性”串联稳压器（见图1）通常包括一个基准电压源、一

个比例输出电压与基准电压比较环节、一个反馈放大器和

一个串联调整管组成（双极型晶体管或FET管）组成，用放

大器控制稳压器的压降维持要求的输出电压值。例如，如果

负载电流下降，会引起输出电压显著上升，误差电压增大，

放大器的输出上升，调整管两端的电压会增加，因此输出电

压回到其原始值。

VIN

误差

放大器

VERR

VREF

R1

RLR2

VOUT

图1. 基本的增强型PMOS LDO。

在图1中，误差放大器和PMOS晶体管构成压控电流源。输出电压

VOUT按分压比（R1，R2）成比例下降，并且将其与基准电压（VREF）比

较。误差放大器的输出控制增强型PMOS晶体管。

稳压器的“压差”是指输出电压与输入电压之间的压差，如果此输入电

压继续减小那么该电路便不能稳压。通常认为当输出电压下降到低于

标称值100 mV时是达到的目标。表征这LDO稳压器的关键指标取决于

负载电流和调整管的PN结温度。

问： 如何根据压差对稳压器分类？

答： 我们建议分为三类：标准稳压器、准LDO和LDO。

标准稳压器，通常使用NPN调整管，通常输出管的压降大约为

2 V。

准LDO稳压器，通常使用达林顿复合管结构（见图2）以便实现由一

只NPN晶体管和一只PNP 晶体管组成的调整管。这种复合管的压

降，VSAT (PNP) ＋ VBE (NPN)通常大约为1 V——比LDO高但比标

准稳压器低。

VIN

误差

放大器

VERR

VREF

R1

RLR2

VOUT

图2. 准LDO电路。

LDO稳压器通常根据压差要求作最佳选择，通常压差在100

mV～200 mV范围。然而，LDO的缺点是其接地引脚的电流

通常比准LDO或标准稳压器大。

标准稳压器比其它类型稳压器具有较大的压差，较大的功耗

和较低的效率。大多数情况下可使用LDO稳压器代替标准稳

压器，但是应该考虑到LDO稳压器的最大输入电压指标比标

准稳压器低。此外，有些LDO需要精心挑选外部电容器以保

持稳定性。这三种类型稳压器在带宽和动态稳定性考虑因素

方面也有些不同。

问： 如何为我的应用选择最佳稳压器？

答：为特定的应用选择合适的稳压器，需要考虑输入电压的类

型和范围（例如稳压器前面的DC/DC变换器或开关电源的

输出电压）。其它重要考虑因素是：需要的输出电压、最

大负载电流、最小压差、静态电流和功耗。通常，稳压器

的附加功能可能很有用，例如待机引脚或指示稳压失效的

错误标志。

为了选择合适类型的LDO，需要考虑输入电压源。在电池供

电应用中，当电池放电时，LDO必须维持所需的系统电压。

如果DC输入电压是由经过整流的AC电源提供，那么压差并

不重要，因此标准稳压器可能是更好的选择，因为其更价格

较低并且可以提供较大的负载电流。但是如果需要较低功耗

或较精密的输出电压，则LDO是合适的选择。

当然，稳压器应该在最坏工作环境达到规定精度的条件下能

够为负载提供足够大的电流。

LDO结构

在图1中，调整管是PMOS晶体管。然而，稳压器可能使用各种类

型的调整管，因此可以根据所使用的调整管类型对LDO分类。不

同结构和特性的LDO具有不同的优点和缺点。

　　

AnalogDialogue第41卷第2期 �

四种类型调整管示例如图3所示，包括NPN双极型晶体管、PNP双

极型晶体管、复合晶体管和PMOS晶体管。

VIN VOUT

单NPN管 复合NPN管

VIN VOUT

单PNP管

VIN VOUTQ1

Q2

PMOS管

VIN VOUT

图3. 调整管示例。

对于给定的电源电压，双极型调整管可提供最大的输出电流。PNP优

于NPN，因为PNP的基极可以与地连接，必要时使晶体管完全饱和。

NPN的基极只能与尽可能高的电源电压连接，从而使最小压降限制

到一个VBE结压降。因此，NPN管和复合调整管不能提供小于1 V的压

差。然而它们在需要宽带宽和抗容性负载干扰时非常有用（因为它们

具有低输出阻抗ZOUT特性）。

PMOS和PNP晶体管可以快速达到饱和，从而能使调整管电压损耗和

功耗最小，从而允许用作低压差、低功耗稳压器。PMOS调整管可以

提供尽可能最低的电压降，大约等于RDS(ON)×IL。它允许达到最低的

静态电流。PMOS调整管的主要缺点是MOS晶体管通常用作外部器

件 —— 特别当控制大电流时 —— 从而使IC构成一个控制器，而不

能构成一个自身完整的稳压器。

一个完整稳压器的总功耗是

PD = (VIN – VOUT) IL + VINIGND

上面关系式的第一部分是调整管的功耗；第二部分是电路控制器部分

的功耗。有些稳压器的接地电流，特别是那些用饱和双极型晶体管作

调整管的稳压器，会在上电期间达到峰值。

问：如何确保LDO的动态稳定性？

答：适合普通应用的传统LDO稳压器设计存在稳定性问题。这个问题

是由于反馈电路的性能、多种可能的负载、环路中元件的变化和难

于获得具有一致性参数的精密补偿。下面将讨论这些考虑因素，然

后介绍可提高稳定性的anyCAP®电路的结构。

LDO通常使用一个反馈环路在输出端提供一个与负载无关的恒定

电压。因为对于任何高增益反馈环路来说，环路增益传递函数中极

点和零点的位置都决定其稳定性。

基于NPN管的稳压器具有低阻抗射极负载输出，倾向于对输出容

性负载很不敏感。然而，基于PNP管和PMOS管的稳压器具有较大

的输出阻抗（在基于PNP管的稳压器中具有高阻抗集电极负载）。

此外，环路增益和相位特性强烈依赖负载阻抗，因此对于稳定性问

题需要特别考虑。

基于PNP管的 LDO和基于PMOS管的 LDO的传递函数具有几个

影响稳定性的极点：

• 主极点（图4中的P0）由误差放大器决定；它是由放大器的gm通

过内部补偿电容CCOMP一起控制和确定的。主极点对上述所

有LDO结构都是共同的。

• 第二极点（P1）由输出电抗（指输出电容和负载电容以及负载

阻 抗）决定。这使得应用问题更难处理，因为这些电抗会影

响环路的增益和带宽。

• 第三极点（P2）由调整管附近的寄生电容决定。在相同条件下，

PNP功率晶体管的单位增益频率（fT）比NPN晶体管的fT低很

多。

增益

（dB

）

P0

P1

ZESR

P2

图4. LDO的幅频响应。

如图4所示，每个极点产生每10倍频程20 dB的增益下降并且伴随

90°的相移。因为这里所讨论的LDO有多个极点，所以如果单位

增益频率处的相移达到－180°，线性稳压器会变得不稳定。图4还

示出了容性负载对稳压器的影响，其等效串联电阻（ESR）会在

传递函数中增加一个零点（ZESR）。该零点有助于补偿其中一个

极点，并且如果该极点出现在单位增益频率以下时有助于稳定环

路并且保持相应频点的相移低于－180°。

ESR对于维持稳定性可能是至关重要的，特别对于使用纵向

PNP调整管的LDO。然而，由于电容器的寄生特性，所以ESR不

总是好控制。电路可能需要ESR集中在某个窗口范围内以确保

LDO工作在对于所有输出电流都稳定的区域（见图5）。

电容器

ESR(

Ω)

IOUT (mA)

不稳定

稳定

不稳定

图5. 稳定性随输出电流IOUT和负载电容的ESR变化。

10 AnalogDialogue第41卷第2期

虽然原则上选择具有合适ESR的合适电容器（要求频率响应曲线在

穿过0 dB之前下降得足够快，并且在达到相关极点P2之前向低于

0 dB增益方向减小得足够满）非常困难。实际考虑还会增加更多的困

难：ESR随着产品型号变化；大批量生产使用的最小电容值需要进行

基准测试，包括最小环境温度和最大负载的极端条件。电容器类型的

选择也很重要。最合适的电容器是钽电解电容器，尽管具有大容量的

钽电解电容器尺寸很大。铝电解电容器的尺寸很小，但其ESR在低温时

会变差，并且在－30 °C以下无法正常工作。多层陶瓷电容器类型无法

为普通的LDO提供足够的电容（但是它们适合于anyCAP系列LDO设

计，请阅读下面的内容）。

ADI公司的anyCAP系列LDO目前实现LDO相当容易，因为采用ADI公司的anyCAP LDO体系结

构可提高与稳压器相关的直流（DC）和交流（AC）性能。顾名思义，

anyCAP LDO稳压器体现了它对于电容器的尺寸及其ESR都要求不高，

从而允许使用种类尽可能多的输出电容器。虽然这种体系结构不断发

展并且在市场上提供越来越多的稳压器，但是了解这种体系结构如何

简化稳定性问题（见图6）可能会对您有所裨益。

gM

PTATVOS

VIN

同相宽带

驱动器

CCOMP

R4

R3 D1

IPTAT

R1

R2 RL

CL

VOUT

图6. anyCAP LDO的简化原理图。

anyCAP系列LDO，包括100 mA低静态电流ADP33701和200 mA低

静态电流ADP33312，使用低达0.47 µF输出电容可以保持稳定，从而

允许使用任何类型的优质电容器（包括小尺寸多层陶瓷电容器）。

ESR根本不是问题。

图6所示的原理图示出了一个环路如何提供稳压和基准电压功能。

用外部R1-R2分压电阻检测输出电压，然后输出电压通过二极管

D1和R3-R4分压电阻反馈回高增益放大器的输入。当达到平衡时，

放大器产生一个很大的、可重复的、容易控制的偏移电压，该电压

是与绝对温度成比例（PTAT）的 。PTAT电压与热敏二极管电压降

相结合一起构成隐含的基准电压，该基准电压是不受温度影响的虚

拟带隙式电压。

此放大器的输出连接到一个同相驱动器以控制调整管，利用米勒

极点分离的补偿方法降低对负载电容器的电容值、电容器类型和

ESR的要求。极点分离方法的另外一个优点是具有优异的电源噪声

抑制和很高的稳压器增益，从而可提供非常高的精度和优异的输入

电源调整率和负载调整率。

问: 您可以介绍一下ADI公司的LDO系列产品吗？

答: 当然，选择LDO要根据电源电压范围、负载电压和所需的最大压

差。不同器件的主要差别集中在功耗、效率、价格、容易使用以及

各种技术指标和提供的封装形式。

ADI公司几年来一直为市场提供流行的ADP33xx anyCAP系列

LDO。它们采用BiCMOS工艺和PNP调整管，因此具有很好的稳压

性能和上述许多优点，但其价格发展趋势比CMOS器件有些贵。

一些新设计，例如ADP17xx系列，完全基于CMOS工艺制造并且

使用PMOS调整管，因而允许以低成本生产LDO，但其牺牲了线

性稳压器的性能。该系列稳压器可以适应多种输出电容，但它们

仍然需要至少1 µF的电容和≤500 mΩ的ESR。例如，150 mA的

ADP17103和ADP17114使用1 µF很小的陶瓷输出电容器就可以适

应稳定地工作，从而具有优良的瞬态性能同时占用最小的印制电

路板（PCB）面积；300 mA的ADP17125，ADP17136和ADP17147可

使用≥2.2 µF的电容器。

以上两个系列稳压器都具有在0.75 V～3.3 V范围内16个固定输

出电压选择和在0.8 V～5 V范围内可调输出电压选择。随输电

线电压、负载和温度变化输出电压精度优于±2％。ADP1711和

ADP1713固定输出电压稳压器允许外部连接一个基准电压旁路

电容器，以减小输出电压噪声并且提高电源抑制比。ADP1714具

有跟踪功能，它允许输出电压跟随一个外部电压或基准电压。

ADP1710和ADP1711在额定负载下的压差是150 mV；ADP1712，

ADP1713和ADP1714则为170 mV。它们的电源抑制（PSR）很高（1

kHz时为69 dB和72 dB），并且功耗很低（负载电流为100 µA时其接

地电流为40 µA和75 µA）。

图7示出了ADP1710在输入电容CIN=1 µF和输出电容COUT=1 µF以

及ADP1711在CIN=22 µF和COUT=22 µF几乎满负载条件下的典型

瞬态响应比较。

时间 (4 µs/DIV)

1

10m

V/D

IV

输出电压对负载阶跃的响应

7.5 mA ～142.5 mA

VIN = 5VVOUT = 3.3V

ADP1710CIN = 1mFCOUT = 1mF

ADP1711CIN = 22mFCOUT = 22mF

图7. ADP1710和ADP1711的瞬态响应。

两系列稳压器工作温度范围为－40 °C～＋125 °C，都采

用5引脚TSOT超小封装，该封装是一种满足各种电源要求

的超小封装解决方案。

参考文献——从2007年5月开始有效1ADI website: www.analog.com (Search) ADP3307 (Go)2ADI website: www.analog.com (Search) ADP3331 (Go)3ADI website: www.analog.com (Search) ADP1710 (Go)4ADI website: www.analog.com (Search) ADP1711 (Go)5ADI website: www.analog.com (Search) ADP1712 (Go)6ADI website: www.analog.com (Search) ADP1713 (Go)7ADI website: www.analog.com (Search) ADP1714 (Go)

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AnalogDialogue第41卷第2期 11

运动原理：

用于直观游戏设计的三维传感器

By Adam S. Champy (adam.champy@analog.com)

引言

一个视频游戏系统由一个游戏平台、一个显示屏、一个或多个称为控

制器的I/O接口和软件组成。游戏平台可以是计算机或专用控制台；

显示屏可以装入游戏平台中，通常是视听设备；用于操作游戏的控

制器可有多种形式包括鼠标和键盘、面板按钮、滚动轮、操作杆和双

手“游戏手柄”以及自由移动的无线设备（该设备可以模仿游戏中的

身体运动）。

在最近几个月，已经推出了包含使用双核处理器包含高端计算机系统

的新型高级游戏硬件。此外，目前赢得市场关注颇具竞争力的三套最

新控制台系统具有比多数计算机更加强大的计算和图形处理能力。

对于要求严格的玩家，多图形处理单元（GPU）视频卡被认为是一项

有价值得的投资。这种视频卡除了具有处理能力、图形、声音甚至游

戏本身的所有优势外，最重要的变化是采用了基于运动的直观游戏

控制。这种重要变化可使用由微电子机械系统（MEMS）构成的新一

代超低功耗运动传感器来实现，MEMS技术与率先用于汽车行业中

安全气囊碰撞检测的加速度计技术相同。基于MEMS的三维（3D）运

动检测游戏控制器不仅影响了如何操作游戏，而且更重要的是强烈影

响了如何设计游戏。

本文将评论了当前游戏系统的性能，介绍这些游戏功能如何支持或阻

碍直观游戏的设计以及现有控制硬件如何限制游戏的设计。此外，本

文还将讨论用于下一代游戏系统的3D运动传感器的工作原理、运动检

测如何缩短初学者和专业玩家的学习过程以及游戏开发商需要熟悉的

重要技术指标和开发原则。

限制直观游戏的设计原理

“当然，当玩家操作游戏时，最靠近玩家的部件是控制器。因此控制

器应该看作玩家的延伸而不是控制台的一部分。我总是记住玩家接

触控制器和UI（用户接口）的次数远远超过控制台本身这个重要的

事实。”

—— Nintendo Wii™加速度计硬件负责人Akio Ikeda于2006年夏

在 接受Wiilaunch网站

Satoru Iwata的采访中说。

每一款游戏的设计都假设玩家对挑选点卡、投掷骰子或敲击按钮——

可能的策略和战术——的效果提前有所了解。通常，游戏购买者可以

从游戏包装上的“推荐年龄”中了解到上述效果。例如，二十一点游戏

（或“21”）假设初学者具有或可以轻松掌握以下的知识：

如何加

比较的概念，例如“小于”、“等于”和“大于”

熟悉点卡以及它们的数值；特别是A卡，其上面没有数字标

签——在游戏中是二值选择。

如果玩家开始将21点看作一种赌博游戏，那就要与发牌人手上

的点数（21点或者其它值）相比较，了解风险和回报以及策略

（例如双倍率），他们逐渐由初学者转变为专业玩家。在21点

游戏中，不同的用户交互格式不会改变游戏本身，例如是否使

用纸牌或者计算机中鼠标的位置。“轮到我了！”举动的效果

总是相同的，并且目标都是21。

虚拟游戏环境从根本上改变了玩家与游戏交互的方式，特别当

游戏包含高速和空间运动时。控制器和用户接口（UI）之间交

互的性质长期以来一直是对用户体验非自然的约束。例如在操

作基本的美国橄榄球视频游戏时，玩家使用键盘或游戏控制器

选择将球投给三位虚拟队员中的一位（见图1）。

图1. 通过按按钮代替投球的自然身体动作。

标准的控制器和接口不能很好地代替直观自然的空间关系。图1示出将

球（图（a）中绿色区）投给三位队员之一的过程，与此相关的按钮是X、

Y和Z。在图（b）中，投球者使用按钮Z将球传给右边的队员。在图（c）

中，抛球者的方形区域不再拥有球，队员Z（现在是绿色）收到投球。

当然这与实际场地上的游戏相差甚远——当传球给队友时，你不需

要考虑将手指移到Z按钮上，而只需将球传到右边。因此那些参加过

许多运动但还没在虚拟环境玩过游戏的人必须学习把投球与按Z按钮

（在此游戏版本中）联系起来。

因此，玩家必须掌握专用平台的技巧以便操作游戏，而不是将自己的

实际生活体验转移到虚拟世界。这种情况阻碍了初学者玩游戏并且将

可购买游戏机的客户限制在那些愿意花时间掌握新技巧（而这些技巧

在现实世界中并不一定有用）的人。几乎任何知道了上述21点游戏规则

的人都可以坐在任何地点的21点游戏桌前第一次玩该游戏，但是几乎

没有一位无经验的电子游戏玩家在初学时就能掌握游戏控制器并且

立即与另一位玩家玩电子足球游戏——不感觉紧张或失败。两者的

区别在于任何玩法中的21点游戏所需要的身体技巧简单、直观、易于

掌握并且非常有趣。

设计直观游戏：过去对运动的使用

“运动传感器可以为操作机器提供一种直观并且易于理解的方法，它

确实可以很好地与便携式游戏控制台相匹配。我们认为各种年龄段的

人群都喜欢玩Yosshie-no Banyu-Inryoku游戏。”

—— 任天堂（Nintendo）公司的研究和开发总经理Satoru Okada说，

引自ADI公司2004年介绍iMEMS ADXL2021 Yosshie-no Banyu

- Inryoku应用的新闻稿。

12 AnalogDialogue第41卷第2期

当今最大的游戏新闻是在主流控制台和游戏设计中集成了运动检

测。NintendoTM和Sony PlaystationTM游戏都具有MEMS运动传感

器。然而更大的影响是目前运动检测正在驱动实际游戏设计发展并

且在现存游戏格式中检测出一系列运动。Nintendo公司使用ADI公司

的ADXL3302三轴iMEMS传感器开发出创新的“Wii-Mote”控制器

3D运动检测功能。

然而，这并不是M EMS运动传感器首次用于控制器设计。微软

（Microsof t）公司和罗技（Logitech）公司于1998年分别推出了

SideWinder® Freestyle Pro和WingMan Gamepad Extreme游戏控制

器（这两款游戏控制器都采用ADI公司的ADXL202双轴iMEMS传

感器），率先提出此想法。Freestyle Pro于1998年在电子娱乐展会上

赢得了“最有希望的新外设”奖。

在游戏的开发阶段，很少有设计工程师将运动检测用作游戏设计中

的固有部件。如果用户想使用倾斜检测而不是按钮控制游戏，则可

以使用双轴倾角检测简单地代替D-pad方向键。倾斜可以增加一些

突破性的游戏操作体验：如果你想让控制器返回，你应该快速抬起

骑术游戏中摩托车的前轮。在飞行仿真器中，你可以将控制器向左或

向右倾斜以使Star Wars星球大战 X翼战机随着你的运动突然向左或

向右下降。在驾驶和飞行游戏中，已经很大程度上依赖于D-pad方向

键控制的体验可以使大部分玩家受益于这类倾斜运动控制。但是此

概念（不是游戏设计的完整部分）并没有激发主要消费者的兴趣。由

于增加支持运动的控制器的成本并且缺乏提供真正的基于运动的体

验，从而限制了Microsoft公司和Logitech公司产品的吸引力。

任天堂公司是首家在其Yosshie-no Banyu-Inryoku和Koro-Koro

Kirby（Kirby Tilt ‘n’ Tumble）GAMEBOY专利中使用运动检测联

合设计游戏硬件和游戏概念的公司。这些创新性的游戏证明存在一个

直观的基于运动游戏的市场。这两款游戏机都在游戏模块本身中包含

了ADXL202加速度计，使用倾斜检测以一种各年龄段和不同技巧水平

的玩家能够理解的方式移动游戏角色。Koro-Koro Kirby游戏采用倾

斜桌上弹球游戏原理——一种许多小孩和成人在现实生活中玩的游

戏。当把这种游戏体验转移到虚拟世界中时，玩家不需要学习新的技

巧就可以使用物理倾斜控制Kirby游戏和弹球游戏。MEMS加速度计

仅需很低的功耗就可以完成便携式应用中对游戏整个过程的主要控

制，没有过多地消耗电池。使用IC加速度计增加运动功能的成本也不

会达到影响消费者的价位。这些游戏机由于直观、易于掌握和非常有

趣而吸引了广大的消费者。全球销量已经达到几十万台。

设计直观游戏：开发基于运动的应用

“由于我以前使用加速度传感器设计产品，因此对这项技术的特性

和限制有总体的了解。依据经验，我已经得知我们需要靠近电视的绝

对参考点以提高控制的可靠性。”

—— 摘自 Akio Ikeda在2006年与Wii Launch网站Satoru Iwata的

访谈。

设计任何游戏的第一步是给出核心设计图和用户概念。这包括UI设

计工程师开发的虚拟世界、每一位玩家的目标和玩家与用户接口的交

互界面。直观设计最基本的原理是捕捉现实世界中某人已经完成的

动作，并且将其转换到虚拟世界中，在那里存在创造性、不同挑战和

幻想——但玩家不需要掌握新的操作技巧。将身体活动的转换到控

制器首先要使用一种运动传感器。在游戏设计中虽然有几种使用传感

器数据的主要方法，但是它们都是基于运动传感器的工作原理——特

别是加速度计。（见“工作原理”部分。）

切记最重要的事情是测量加速度的加速度计。加速度计应该能够测

量包含振动和冲击的任何运动，因此每一种应用都对加速度计有不

同的要求和限制。

运动游戏应用种类

简单的倾斜阈值

Kirby Tilt‘n’Tumble游戏是使用倾斜阈值的重要案例。使用倾角

相当于将地球的重力场用作沿垂直（Z）轴1 g的参考加速度（Z轴由

位置决定，g近似等于9.8 m/s2或32ft/s2）。当器件完全水平时（见图

2），X轴和Y轴的加速度都为0 g。

图2. 符合重力方向的静止的ADXL330三轴加速度计的输出响

应。（a）器件的Z轴水平， X轴和Y轴不同方向。（b）器件

的Z轴垂直， X轴和Y轴任意方向。

当玩家倾斜控制器时，游戏设计工程师想了解是否倾角值超过特定

的阈值。用于测量倾角的方法是一种固有的三角学关系。加速度计

的X轴和Y轴输出是倾斜角θx和θy（X轴和Y轴与水平方向的夹角）

的函数并且与g sinθx和g sinθy成比例。

在类似Til ’n’ Thumble的游戏中，玩家只需尽力去模仿实际重力的效

果，而无需知道实际的角度（可用反三角函数计算出角度值）；器件的

输出模仿影响虚拟弹球移动的物理受力情况。

对于这种游戏，仅需要X轴和Y轴与水平方向的角度，并不需要三轴

加速度计。事实上，当X轴和Y轴保持水平并且Z轴保持垂直时，器件

的Z轴输出与垂直方向夹角θz的余弦成比例——在该应用中并不是

非常有用，因此无需进一步处理。

AnalogDialogue第41卷第2期 13

长期以来，Kirby游戏机使用了XY加速度计。Microsof t公司的

Sidewinder Freestyle Pro游戏机使用XY传感器测量倾角以控制D-

Pad方向键上左右上下运动的速率。如果游戏应用仅需要倾角，那么

双轴加速度计是可替代的低成本解决方案。

姿势识别：用户产生的加速度

比重力测量更让人感兴趣的游戏是什么？在2006年度电子娱乐展览

会（E3）媒体和商务峰会上展示出Wii Sports Tennis游戏，它使用玩

家产生的运动，远远超出重力加速度。对于这种应用，ADXL330在

每个轴上具有最小为±3 g的测量范围。不幸的是，包含诸如打高尔

夫球等高速运动的游戏概念可能会超过许多低g加速度计的测量范

围。为了检测这种动作的加速度，假设胳膊以围绕身体做圆周摆动，

则角加速度如下：

A = v2/r

角加速度由x、y和z方向上的分量组成。如果最大加速度暂时超过了

器件的测量范围，可以选择使用增大最大加速度范围的加速度计，但

是这样会牺牲分辨率；或者模仿过载条件——需要测量过载何时开

始和何时结束。这要求在整个加速度范围甚至高达饱和时具有非常

好的线性性能。

用户产生的运动难于模仿，因为玩家们都具有不同的生理结构并且对

于相同意向会有不同方式的直观移动。游戏开发商需要进行大量的测

试并且调整以便成功地模仿这种交互作用。业已证明记录多种运动和

应用可测模型产生的运动匹配算法和阈值是最有效的方法。

位置测量：加速度积分

设计工程师所面临的一个具有挑战性问题是否能够成功地使用加速

度计来测量位置变化，因为位置是加速度对时间的二重积分。显而易

见的方法是在适当的时间周期内对加速度做二重积分。沿X轴方向运

动的位置变换化表示为：

2

2T

d XX dtdtdt

= ∫∫

对于恒定加速度a，

200 2

1 attdtdXXX ++=

因此任何时刻的位置X是由初始位置X0 、位置以初始速度随时间的改

变和时间的平方确定。

在很短的时间内积分是合理的。但对于长时间积分，在t2项上存在风

险。因为误差会随着时间的平方增加；1000秒（s）后的误差是1s时的

1,000,000倍。加速度测量中任何微小的偏移误差，特别对于消费类设

备，都会很快地产生无法容忍的误差，并且最终（经过数小时或数分

钟后）使计算的位置达到限制值。即使一款没有误差的无噪声加速度

计对长时间内积分也会产生其它问题。例如，手握控制器的人可能会

用控制器撞击物体或者将其摔落到地上，导致引起数千个g的冲击，

从而使加速度计的输出达到限制值。

Nintendo公司通过使用与加速度计连接的位置参考点在Wii游戏中解

决了这个问题。通过校正相对参考点的位置，Nintendo公司使用周期复

位可以限制限制积分的时间长度，从而适当地减少了误差增长。

直观的基于运动游戏的设计：选择传感器

“当人们抱怨旧有控制器是多么不友好时，我深表同情；我记得当我

第一次玩Marathon游戏时我试图控制鼠标和键盘接口，后来还要为

Halo游戏安装两个操作杆，这是一个严峻的挑战…与此相比，Wii控

制器非常容易。Nintendo公司真正地为非专业玩家消除了主要障碍。

几乎根本不需要学习过程。”

—— 摘自Lev Grossman于2006年5月15日对他在《Time杂志》发

表的文章“一种适合各年龄段的游戏”读者反馈的答复。

这篇文章的第一部分描述了一些用于测量加速度数据和用于游戏控

制的方法。然而实际加速度计的问题是它们并不能理想地工作，例如

它们占用空间，它们需要电源，它们受到温度变化的影响并且还可能

存在对它们使用不合理的问题。最后一部分提供一些表征游戏特性

所需要的性能见解，包括期望传感器供应商提供什么性能和如何测

试这些性能参数。

线性度

牛顿力学是线性的并且运动也是线性的，因此加速度计也应该是线性

的。由于人们希望能够预测直观游戏的响应，因此满量程范围内的线性

特性非常重要。如果你很快地移动胳膊两次，那么屏幕上的也应该很

快地移动两次。如果实际速度变快或变慢，那么你必需学习非线性运

动作为特殊的技巧，从而使游戏不直观。不能正确相应用户的动作而

出乎意料地从一个角度跳到另一个角度的倾角游戏是糟糕的。

在±1 g范围内测试线性度相当简单。使用一个旋转的插座，可沿着重

力方向、重力反向和两种位置中间测量每个轴向的加速度，记录每一

个测量点的角度和输出加速度。对于加速度超过1 g的测试，必须使用

摇动器和速率表。加速度计供应商可在有效的产品技术资料中提供线

性度的统计数据。更复杂但可能更快的方法是使用直接与线性度关联

的交流（AC）运动测试和总谐波失真测量。

功耗

大多数消费类MEMS运动传感器用于低电压无线设备。降低加速度计

的功耗可以节省电源能量用以更鲁棒性的通信、降低设计其它部分器

件的成本并且延长电池寿命。像ADXL330这样的低功耗器件通常需要

2 V的电源消耗200 µA电流——甚至没有冷开机——有助于开发无线

控制器，除了可以延长游戏时间外，还允许以玩家按照想要使用的动作

自然直观地移动。具有快速启动时间的加速度计允许周期式间歇供电，

从而节省了甚至更多的功率。游戏设计工程师可以打开和关闭它们，以

玩家希望的移动速率采样。为了获得平滑的运动游戏，建议最低采样

率为100 Hz，从而可以支持50 Hz带宽。

温度性能

温度性能非常重要，考虑到对运动敏感的设备最通常都被握在游戏

人的手里，因此在玩游戏期间温度会变化很大。优良的温度特性也

非常重要，因为在任何游戏环境（无论室外还是室内）中都必须具有

可预测的稳定性能。通常甚至将控制台和视听系统安装在汽车的低

温环境中。

14 AnalogDialogue第41卷第2期

1.55

1.54

1.53

1.52

1.51

1.50

1.49

1.48

1.47

1.46

1.45–30 –20 –10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

电压

温度 (oC)

N = 8

图3. ADXL330 X轴零g偏置，8颗随机抽取的器件。

温度性能对玩游戏过程最主要影响是零g偏置线性度随温度的变化和

温度灵敏度系数。零g输出电压实质上是器件的直流（DC）失调电压。

大多数加速度计供应商发布有关零g偏置的“黑箱规范”，声明输出能

够达到的大致的误差范围。有些加速度计使用温度传感器提供数字温

度补偿。虽然这些方法可以将失调保持在某一范围内，但当输出遍及整

个温度范围时通常会发生阶跃断续——有时高达25 mg，相应倾角应

用中超过1度的误差。测试这种性能非常简单只需在整个温度范围扫

描加速度计并且监视其输出。我们强烈推荐进行此项测试；因为有些

传感器会产生令人意外的结果。

鲁棒性和自检测

由于控制器受到冲击、振动和摔跌可能会对加速度计产生数千g的

输入，这时需要一种鲁棒性机械传感器设计。ADXL330具有与恶劣

汽车环境中用于汽车稳定性控制等功能相同的机械特性。一款好的

MEMS传感器在出现故障时应该具有完整的机械和电子自检测特性

以帮助在玩家拿起控制器之前诊断问题。

展望

长期以来，标准游戏控制器限制了直观游戏的发展，从而需要玩家掌

握特定的控制技能。随着游戏的发展，开发商开始将现实世界的体验

转换到虚拟世界的游戏中。目前，最新的直观游戏设计方法是使用运

动检测支持新一代设计，从而使得游戏更加直观和有趣。本文介绍了

在游戏控制器中使用加速度计的设计基础，包括操作机构、测量技术、

直接影响游戏性能的具体参数、价位、可靠性、验证和测试方法。

参考文献——从2007年4月起有效1ADI website: www.analog.com (Search) ADXL202 (Go)2ADI website: www.analog.com (Search) ADXL330 (Go)

加速度计——工作原理

通常用于最新游戏的运动传感器是三轴加速度计——具有

对应于x、y和z方向加速度分量电输出的三维运动传感器。图

A示出一颗完整的三轴加速度测量系统±3g ADXL330集成电

路的框图。它采用超小封装（4 mm长正方，1.45 mm高），1.8

V～3.6 V工作电压，仅需180 µA电源电流。该器件可以检测动

态（运动、冲击和振动）和静态（重力）加速度。

3轴传感器

V S

COM ST

XOUT

Y OUT

ZOUT

+3V

C X

C Y

C Z

ADXL330R FILT

R FILT

R FILTC DC

输出

放大器

输出

放大器

输出

放大器

AC放大器

解调器

实际尺寸

图A. ADXL330框图。

加速度传感器是一种在硅晶片上制作的多晶硅表面微机械结

构。悬挂的多晶硅弹性结构附着在晶片的表面上并且易于抵

抗加速度力。使用一个由极板构成的差分电容器测量该结构

的,移动变化,其中可移动的电容极板附着在可移动的质量块

上,该移动极板可在两片独立固定的极板之间移动,由相位相

差180°方波电压驱动两个固定的极板,用产生的电压表示加

速度变化。加速度使移动的质量块偏移，导致差分电容器失

衡，从而产生与加速度成比例的具有一定幅度的方波输出。

利用相敏解调技术可读取加速度的幅度和极性。

用户可以外接片外32 kΩ电阻器放大每一个解调器输出并且

可选择外部电容器以提供滤波和设置带宽。该器件还具有自

检功能以便于检测故障。图B示出加速度计芯片的照片。

图B. 加速度计芯片照片。

本文HTML和PDF格式文件可从网页http://www.analog.com/analogdialogue获取。先点击 archives(存档文件)，然后选择卷、期号和题目。

AnalogDialogue第41卷第2期 1�

2007年第41卷第2期新产品要目所有ADI产品技术资料都可通过在 www.analog.com 网站的搜索框中输

入产品型号差到。

4月逐次近型ADC，18 bit，1 Msps, 7 mW功耗 ....................................... AD7982电压比较器，双极性输出参考电压 ........................................ ADCMP361电压比较器，双比较器，参考电压 .........................................ADCMP670电压比较器，双比较器，参考电压、可编程滞后 ................... ADCMP34x电流输出DAC，10 bit, 120 mA 输出电流 ...................................... AD5821电压输出DAC，四DAC，

12/14/16 bit, 5 ppm/°C参考电压 .............................................. AD56x5R电压输出DAC，四DAC，12/16 bit, I2C接口 ............... AD5625/AD5665数字隔离器，2通道，50 mW DC/DC变换器 ......................... ADuM524x音频处理器，用于高级电视 .................................. ADAV4101/ADAV4201音频处理器，用于高级电视 ................................. ADAV43x2/ADAV44x2CMOS开关，用于多媒体 ............................................................. ADG790频率合成器， PLL整数N分频、 高电压电荷泵 ...................................................................... ADF4113HV

5月半桥驱动器，隔离100 mA 输出电流 ...................................... ADuM1233陀螺仪，低功耗、可编程 ........................................................... ADIS16255陀螺仪，横摆角速度 ................................................................ ADXRS612线性稳压器， 微功耗、 50 mA输出 ......................................... ADP1720收发器，高性能、窄带、 工科医（ISM） 频带 ........................... ADF7021HDMI/DVI发射器，高性能 ....................................................... AD9889B电压监视器和时序控制器，四通道 .......................................... ADM11856月流水线型ADC，10 bit、

200/250/300 MSPS、 1.8 V 电源电压 .......................................... AD9211

∑-∆型ADC， 20 bit、3通道、 带仪表放大器和参考电压 ........................................................... AD7785

音频放大器， D类、2 W、无滤波、立体声 ............................... SSM2306仪表放大器，可设置增益、高精密 ................................................. AD8231仪表放大器，可设置增益、10 MHz带宽 ....................................... AD8251运算放大器，双放大器、低噪声、 低功耗、高精密 ............................................................................ AD8667

运算放大器，双放大器、低功耗、高精密、自稳零 ........................ AD8539运算放大器，低成本、 JFET输入、高精密 ........................... ADA4000-x音频编解码器， 24 bit、192 kHz、 PLL、四ADC、数字音频输出 .................................................... AD1974音频编解码器， 24 bit， 192 kHz，PLL， 双ADC，八DAC ......................................................................... AD1928

音频编解码器，高清晰音频 ........................................................... AD1987电压比较器，快速、低功耗、 单电源、R-R特性 ................................................................. ADCMP608同步降压式DC/DC变换器，2/3相、8 bit VID 编码、

用于Intel CPU ........................................................................ ADP3193A电压输出DAC，四DAC、 12 bit、单极性或双极性输出 ...................................................... AD5726ADC驱动器，差分、极低谐波失真 .......................................... ADA4937-1差分驱动器，三通道、高分辨率分量视频 .................................... AD814x模拟前端，混合信号、宽带调制解调器 ........................................ AD9868

作者简介

Jeff Barrow先生（文章见第3页）现任ADI公司

图森研发中心的网站和工程经理。他于1981年

获得亚利桑那大学电子工程学士学位（BSEE）

后第一次加入ADI公司（美国马萨诸塞州威明顿

市），成为一名产品工程师。他担任过高级集成

电路（IC）设计工程师，工程经理和产品线经理。

他曾经在Primarion公司担任工程主管，他领导的

团队为Intersil公司设计的产品赢得了EDN电源类产品年度创新奖。他

与ADI公司中断几年后又回到ADI公司就任现在的职位。Jeff拥有10项

美国专利，撰写了十多篇文章和专业论文。

Adam Champy先生（文章见第11页）于2005年

加入ADI公司，成为一名微电子机械产品部的应

用工程师，他从事加速度计在汽车安全系统、视

频游戏和便携式设备中应用的技术支持。在加

入ADI公司 以前，Adam获得美国麻省理工学院（

MIT）电子工程和计算机科学学士学位和硕士学

位后留校工作。他的毕业论文设计了一种用于质

谱仪传感器的嵌入式控制系统，这种传感器应用于水下环境研究。

Jerome Patoux先生（文章见第8页）现任ADI公

司（法国安东尼）现场应用工程师。他于2002年

毕业于法国ESIGETEL学院，获得电子和电信工

程硕士学位。他还获得加拿大魁北克大学和法国

勒芒材料及机械工程学院的国际工程管理硕士学

位。Jerome在2005年加入ADI公司之前是法国第

二大移动运营商SFR公司的射频工程师和法国国

营铁路公司（SNCF）的部门经理。

时钟发生器， 14个输出、片内压控振荡器 ............................... AD9516-x陀螺仪，低功耗、可编程 ........................................................... ADIS16251陀螺仪，横摆角速度 ................................................................ ADXRS61x数字隔离器，2通道、热插拔、

I2C标准、 5 kV ................................................ ADuM2250/ADuM2251模拟微控制器，PWM 发生器、 半桥电机控制 ..................................................... ADuC7128/ADuC7129

正交调制器， 869 MHz～960 MHz/ 1805 MHz～1990 MHz .......................................... ADL5590/ADL5591分流监控器，高电压 ...................................................................... AD8212分流监控器，高电压、双通道 ........................................................ AD8213多路复用器和分配器，1:2/2:1、3.2 Gbps ................................... AD8153功率输出级，2通道、D类音频放大器 ...................................... ADAU1513参考电压源，1.25 V、精密、微功耗、待机模式 .......................... ADR1581有源信号分路器，RF、1:2、单端输入 ..................................... ADA4304-2交叉点开关，4 × 4， 6.25 Gbps、 输入均衡 ...................................................................................... AD8156

交叉点开关，32 × 32、带缓冲、 视频、600 MHz ........................................................................... AD8118交叉点开关，三通道16 × 9、带缓冲、 视频、500 MHz ........................................................................... AD8175

www.analog.com/analogdialogue

如果系统符合Philips公司定义的I2C标准规范，用户在购买ADI公司或其下属机构拥有Philips公司许可的I2C器件时，可以获得一个Philips公司I2C专利权之下的许可，以便在I2C系统中使用这些器件。

© 2007 Analog Devices, Inc. 版权所有。所有商标和注册商标均属于其相应公司。Printed in the China M02000412-41-8/07