[转]降低 SAR ADC 驱动器的放大器功耗

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[转]降低 SAR ADC 驱动器的放大器功耗 [复制链接]

由于 SAR ADC 的功耗随着每一代新器件的推出而不断降低，放大器成了功耗敏感型应用的制约因素。那么我们如何才能进一步降低功耗？在寻找可能的解决方案之前，让我们先考虑一下 ADC 功耗降低的原因。

下图 1 直接显示了我们 12 位、4MSPS ADS7881 SAR ADC 的功耗情况，是功耗显著降低的很好例证。

图 1：ADS7881 功耗与采样率比较

当运行在高时钟速率下时，唯一的省电方法就是降低供电电压。但这并非总是可行的。当在使用 SAR ADC 监测应用时，如果在系统完全唤醒状态下很少有事件会提升采样速度，应考虑使用低占空比。

这对 ADC 来说已经很好了，但却没有回答如何显著降低运算放大器功耗的问题。那么我们应该如何做呢？

ADS7881 是一款 12 位 ADC，电压输入范围介于 0V 至 +2.5V 之间。

我选用 OPA836 作为放大器，因其可使用与 ADS7881 相同的电源。使用 +5V 电压供电，我们可在电压保持在输入动态范围内的同时，最大限度降低 ADC 及其驱动器功耗。

OPA836 是一款采用 2x2 毫米 QFN 封装，具有出色压摆功能与线性度的 1mA 运算放大器，是电池供电应用的理想选择。虽然它是一款轨至轨输出 (RRO) 器件，但只有在产生少量负电源时，其输出才能摆动至接地。正输出也存在同样的限制，不过在这里没有意义。应注意 OPA836 的产品说明书对最低／最高线性输出电压与饱和输出电压做了明确区分。

对高低电压轨而言，线性工作预留电压空间为 150/250mV，而饱和工作预留电压空间则为 15/43mV。另外，由于 OPA836 的输入不是轨至轨输入 (RRI)，只含接地，因此电压范围可能只能局限在 -0.2V 至 3.9V 之间。避免这种局限性的合理方法是在增益超过 1V/V 的条件下使用 OPA836。由于 ADS7881 的最大输入电压范围受 +2.5V 参考电压限制，而我们面临的唯一限制是输出端的负轨，因此单位增益工作完全没有问题。因为 OPA836 是一款高速放大器，因此我们将获得超过 56MHz 的带宽以及超过 100V/ms 的压摆率，可确保带宽与任何信号电平保持恒定。

ADS7881 的最低有效位 (LSB) 大约是 610mV。OPA836 最大输入失调电压达 500uV，可充分满足 12 位应用需求。

由于可控制 ADC 的时钟速率，因此可在微控制器中生成一个信号来通过适当定时启用／禁用 OPA836。OPA836 的 PD 引脚可便捷与 ADS7881 的 BUSY 引脚、CONVST 引脚或 NAP 引脚同步，将 OPA836 置于禁用模式下。现在要解决的主要问题是放大器的开启时间，以及运算放大器和 ADC 之间的滤波器接口强制减速时间常数。

如下图 2 所示，OPA836 具有关断功能，其开启／关闭速度相当快，可轻松适应高占空比。

图 2：OPA836 启用／禁用响应

剩下的最大问题是放大器后的滤波器时间常数。

解决这个问题的方法是当放大器处于关断模式时，控制放大器输出端的输出电压，如图 3 所示。

图 3：在禁用模式下保持放大器的共模电压输出

图 4：OPA836 在输出端保持的中等电压下启用／禁用响应

可以看到，图 2 和图 4 之间唯一的差别是共模不同，放大器仍然有相同的开启／关闭时间常数。当 ADC 从采样状态进入保持状态时，放大器的唯一作用是保持适当的共模电压，帮助安排 ADC 进行下一次转换。当运算放大器处于禁用模式时，这可使用一款电阻分压器取代，以节省电源。

如欲了解相关信息，敬请查看我们的设计精粹视频“《如何选择运算放大器驱动 SAR ADC》”或“《如何获得产品说明书，了解 SAR ADC 价值》”。

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[ 本帖最后由 dontium 于 2013-7-23 16:10 编辑 ]