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制約敏感型應用:降低SAR ADC驅動器的放大器功耗

發(fā)布時間:2016-08-24 責任編輯:susan

【導讀】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用的制約因素。那么我們如何才能進一步降低功耗?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
 
當運行在高時鐘速率下時,唯一的省電方法就是降低供電電壓。但這并非總是可行的。當在使用SAR ADC 監(jiān)測應用時,如果在系統(tǒng)完全喚醒狀態(tài)下很少有事件會提升采樣速度,應考慮使用低占空比。
 
這對 ADC 來說已經很好了,但卻沒有回答如何顯著降低運算放大器功耗的問題。那么我們應該如何做呢?
 
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態(tài)范圍內的同時,最大限度降低 ADC 及其驅動器功耗。
 
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 運算放大器,是電池供電應用的理想選擇。雖然它是一款軌至軌輸出 (RRO) 器件,但只有在產生少量負電源時,其輸出才能擺動至接地。正輸出也存在同樣的限制,不過在這里沒有意義。應注意OPA836的產品說明書對最低/最高線性輸出電壓與飽和輸出電壓做了明確區(qū)分。
 
對高低電壓軌而言,線性工作預留電壓空間為 150/250mV,而飽和工作預留電壓空間則為 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軌,因此單位增益工作完全沒有問題。因為OPA836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最大輸入失調電壓達 500uV,可充分滿足 12 位應用需求。
 
由于可控制 ADC 的時鐘速率,因此可在微控制器中生成一個信號來通過適當定時啟用/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間,以及運算放大器和 ADC 之間的濾波器接口強制減速時間常數(shù)。
 
如下圖 2 所示,OPA836具有關斷功能,其開啟/關閉速度相當快,可輕松適應高占空比。
 
圖 2:OPA836啟用/禁用響應
 
剩下的最大問題是放大器后的濾波器時間常數(shù)。
 
解決這個問題的方法是當放大器處于關斷模式時,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
 
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/關閉時間常數(shù)。當 ADC 從采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)時,放大器的唯一作用是保持適當?shù)墓材k妷海瑤椭才?ADC 進行下一次轉換。當運算放大器處于禁用模式時,這可使用一款電阻分壓器取代,以節(jié)省電源。
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