降低 SAR ADC 驅(qū)動(dòng)器的放大器功耗

由于 SAR ADC 的功耗隨著每一代新器件的推出而不斷降低，放大器成了功耗敏感型應(yīng)用的制約因素。那么我們?nèi)绾尾拍苓M(jìn)一步降低功耗?在尋找可能的解決方案之前，讓我們先考慮一下 ADC 功耗降低的原因。

下圖 1 直接顯示了我們 12 位、4MSPSADS7881SAR ADC 的功耗情況，是功耗顯著降低的很好例證。

圖 1：ADS7881功耗與采樣率比較

當(dāng)運(yùn)行在高時(shí)鐘速率下時(shí)，唯一的省電方法就是降低供電電壓。但這并非總是可行的。當(dāng)在使用 SAR ADC 監(jiān)測(cè)應(yīng)用時(shí)，如果在系統(tǒng)完全喚醒狀態(tài)下很少有事件會(huì)提升采樣速度，應(yīng)考慮使用低占空比。

這對(duì) ADC 來說已經(jīng)很好了，但卻沒有回答如何顯著降低運(yùn)算放大器功耗的問題。那么我們應(yīng)該如何做呢?

ADS7881是一款 12 位 ADC，電壓輸入范圍介于 0V 至 +2.5V 之間。

我選用OPA836作為放大器，因其可使用與ADS7881相同的電源。使用 +5V 電壓供電，我們可在電壓保持在輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的同時(shí)，最大限度降低 ADC 及其驅(qū)動(dòng)器功耗。

OPA836是一款采用 2x2 毫米 QFN 封裝，具有出色壓擺功能與線性度的 1mA 運(yùn)算放大器，是電池供電應(yīng)用的理想選擇。雖然它是一款軌至軌輸出 (RRO) 器件，但只有在產(chǎn)生少量負(fù)電源時(shí)，其輸出才能擺動(dòng)至接地。正輸出也存在同樣的限制，不過在這里沒有意義。應(yīng)注意OPA836的產(chǎn)品說明書對(duì)最低/最高線性輸出電壓與飽和輸出電壓做了明確區(qū)分。

對(duì)高低電壓軌而言，線性工作預(yù)留電壓空間為 150/250mV，而飽和工作預(yù)留電壓空間則為 15/43mV。另外，由于OPA836的輸入不是軌至軌輸入 (RRI)，只含接地，因此電壓范圍可能只能局限在 -0.2V 至 3.9V 之間。避免這種局限性的合理方法是在增益超過 1V/V 的條件下使用OPA836。由于ADS7881的最大輸入電壓范圍受 +2.5V 參考電壓限制，而我們面臨的唯一限制是輸出端的負(fù)軌，因此單位增益工作完全沒有問題。因?yàn)镺PA836是一款高速放大器，因此我們將獲得超過 56MHz 的帶寬以及超過 100V/ms 的壓擺率，可確保帶寬與任何信號(hào)電平保持恒定。

ADS7881的最低有效位 (LSB) 大約是 610mV。OPA836最大輸入失調(diào)電壓達(dá) 500uV，可充分滿足 12 位應(yīng)用需求。

由于可控制 ADC 的時(shí)鐘速率，因此可在微控制器中生成一個(gè)信號(hào)來通過適當(dāng)定時(shí)啟用/禁用OPA836。OPA836的 PD 引腳可便捷與ADS7881的 BUSY 引腳、CONVST 引腳或 NAP 引腳同步，將OPA836置于禁用模式下?，F(xiàn)在要解決的主要問題是放大器的開啟時(shí)間，以及運(yùn)算放大器和 ADC 之間的濾波器接口強(qiáng)制減速時(shí)間常數(shù)。

如下圖 2 所示，OPA836具有關(guān)斷功能，其開啟/關(guān)閉速度相當(dāng)快，可輕松適應(yīng)高占空比。

圖 2：OPA836啟用/禁用響應(yīng)

剩下的最大問題是放大器后的濾波器時(shí)間常數(shù)。

解決這個(gè)問題的方法是當(dāng)放大器處于關(guān)斷模式時(shí)，控制放大器輸出端的輸出電壓，如圖 3 所示。

圖 3：在禁用模式下保持放大器的共模電壓輸出

圖 4：OPA836在輸出端保持的中等電壓下啟用/禁用響應(yīng)

可以看到，圖 2 和圖 4 之間唯一的差別是共模不同，放大器仍然有相同的開啟/關(guān)閉時(shí)間常數(shù)。當(dāng) ADC 從采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)時(shí)，放大器的唯一作用是保持適當(dāng)?shù)墓材ｋ妷?，幫助安?ADC 進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換。當(dāng)運(yùn)算放大器處于禁用模式時(shí)，這可使用一款電阻分壓器取代，以節(jié)省電源。