動(dòng)態(tài)功率縮放簡(jiǎn)介

在當(dāng)今的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）中，性能界限不斷被突破。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要更高的速度、更低的噪聲和更好的總諧波失真（THD）性能，所有這些都是可能的，但沒(méi)有一個(gè)是免費(fèi)的。這些性能改進(jìn)通常以更高的工作電流為代價(jià)，進(jìn)而導(dǎo)致更大的功耗。然而，在許多應(yīng)用中，對(duì)功耗的敏感性也是一個(gè)日益受到關(guān)注的問(wèn)題。原因多種多樣。它可能是一個(gè)由紐扣電池運(yùn)行的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，其中主要關(guān)注的是電池壽命，或者可能是一個(gè)多通道系統(tǒng)，其中來(lái)自高通道數(shù)和高電路密度的熱量集中會(huì)導(dǎo)致溫度引起的漂移問(wèn)題。無(wú)論哪種情況，最小化電流消耗和功耗都至關(guān)重要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須在高性能和低功耗的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)先級(jí)之間取得平衡。實(shí)現(xiàn)解決方案的一種途徑是通過(guò)稱為動(dòng)態(tài)功率縮放 （DPS） 的過(guò)程。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，DPS是在需要時(shí)動(dòng)態(tài)啟用電子元件并在不需要時(shí)禁用它的過(guò)程。圖1所示為典型的基于SAR ADC的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。SAR ADC的關(guān)鍵屬性之一是其功率與吞吐速率成比例，使其成為功耗敏感型應(yīng)用非常有吸引力的選擇。從歷史上看，ADC驅(qū)動(dòng)器和基準(zhǔn)電壓緩沖器沒(méi)有共享SAR所享有的自動(dòng)功率調(diào)節(jié)功能。它們通常在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通電并啟用，從而消耗多余的功率。假設(shè)使能時(shí)間足夠快，則可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)放大器掉電引腳，以在ADC轉(zhuǎn)換之間禁用放大器。這就是動(dòng)態(tài)功率縮放。通過(guò)將DPS施加到放大器上，可以大大降低其平均電流消耗。對(duì)于DPS，放大器靜態(tài)電流是驅(qū)動(dòng)掉電引腳占空比的函數(shù)。理論平均靜態(tài)電流由下式給出

哪里：

我平均是平均DPS靜態(tài)電流

我Q_ON放大器的靜態(tài)電流是否已啟用

我Q_OFF放大器的靜態(tài)電流是否被禁用

t上是放大器使能的時(shí)間

tS是采樣頻率周期

圖1.基于SAR ADC的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)框圖

在本文的其余部分，ADC驅(qū)動(dòng)放大器將是重點(diǎn)，但DPS概念也可以應(yīng)用于基準(zhǔn)電壓緩沖器，結(jié)果類似。

圖2顯示了ADC驅(qū)動(dòng)放大器持續(xù)使能時(shí)的理論效率改進(jìn)情況。f 處的垂直參考線R表示ADC的功耗等于持續(xù)使能的驅(qū)動(dòng)放大器的功耗時(shí)的采樣頻率。在較低的采樣速率下，放大器主導(dǎo)功耗，在較高的采樣速率下，ADC主導(dǎo)功耗。參考頻率（fR） 將根據(jù)放大器和所選 ADC 的功耗而變化，但基本概念保持不變。顯示了功率調(diào)節(jié)的同一放大器在三個(gè)不同值的t下相對(duì)效率改進(jìn)上.正如預(yù)期的那樣，較短的t上在給定采樣率下提高效率，并允許在更高的采樣率下使用 DPS。陰影區(qū)域表示，增量縮短的改進(jìn)面積最大 t上通常向下延伸至低于f的十年左右R.當(dāng)采樣率繼續(xù)降低到該點(diǎn)以下時(shí)，實(shí)現(xiàn)了最大的整體節(jié)能，但進(jìn)一步縮短了上可以忽略不計(jì)，因?yàn)楣闹饾u接近掉電或禁用狀態(tài)的功耗。

圖2.選定溫度下DPS的理論放大器功耗上（相對(duì)于放大器持續(xù)啟用）。

為了使用DPS實(shí)現(xiàn)最佳性能，系統(tǒng)定時(shí)和最小值的確定上至關(guān)重要。

圖3顯示了ADC和驅(qū)動(dòng)器放大器的簡(jiǎn)化時(shí)序圖。圖1所示的系統(tǒng)時(shí)序模塊（FPGA、DSP和微控制器）提供適當(dāng)定時(shí)的ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)（CNV）和放大器關(guān)斷（PD）信號(hào)。SAR ADC在CNV的上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。放大器在ADC采集階段上電一段時(shí)間（t上）之前，然后與CNV的上升沿同步斷電。但是正確的時(shí)間段是多少上?

圖3.放大器和ADC控制信號(hào)的簡(jiǎn)化時(shí)序圖。

雖然圖 2 說(shuō)明了使用任意時(shí)間對(duì) t 進(jìn)行的概念上，它清楚地表明，只有當(dāng)最小值上被使用。這是放大器在ADC轉(zhuǎn)換之前必須使能的最短時(shí)間，以確保獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。任何短于此時(shí)間都會(huì)導(dǎo)致SNR或THD的侵蝕，而任何更長(zhǎng)的時(shí)間都不會(huì)導(dǎo)致任何性能改進(jìn)。在實(shí)踐中，最小值 t上在采樣率范圍內(nèi)不是恒定的，必須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的獨(dú)特應(yīng)用。最小值 t上將因放大器和系統(tǒng)而異。例如，在圖1電路中使用ADA4805-1和AD7980的放大器/ADC組合，最小值為”上隨著采樣速率的增加而降低，在1 kSPS時(shí)通常需要~4 μs，在1 MSPS時(shí)只需要~600 ns。在低采樣速率下，由于掉電狀態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)，較長(zhǎng)的周期為內(nèi)部放大器節(jié)點(diǎn)提供了更多的放電時(shí)間，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間。相反，較短的較高采樣率周期不允許進(jìn)行盡可能多的內(nèi)部放電。事實(shí)上，隨著采樣速率的增加，放大器的有限關(guān)斷時(shí)間將變得比掉電狀態(tài)下的時(shí)間更長(zhǎng)。實(shí)際上，放大器在完成關(guān)閉之前重新打開(kāi)。這看起來(lái)像是人為地快速開(kāi)啟時(shí)間，但在性能數(shù)據(jù)顯示沒(méi)有下降時(shí)會(huì)得到驗(yàn)證。

預(yù)測(cè)潛在的節(jié)能時(shí)要考慮的最后一點(diǎn)是輸入信號(hào)頻率的影響。到目前為止，DPS的概念已經(jīng)使用給定放大器的靜態(tài)電流計(jì)算出來(lái)。將信號(hào)施加到放大器輸入端時(shí)，動(dòng)態(tài)電流也會(huì)隨著輸入信號(hào)頻率的增加而增加。如果輸入頻率足夠低，則影響無(wú)關(guān)緊要。隨著頻率的增加，放大器輸出端的RC網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出更重的負(fù)載，需要放大器提供更多的電流來(lái)處理信號(hào)。

使用前面提到的ADA4805-1和AD7980，將這些概念放在一起，得到圖4中的曲線。該圖顯示了動(dòng)態(tài)功率調(diào)節(jié)的ADC驅(qū)動(dòng)器放大器在持續(xù)使能時(shí)相對(duì)于同一放大器的功耗（以百分比表示）。繪制了所選輸入頻率的DPS效率圖，以說(shuō)明較高輸入頻率對(duì)功耗的影響。最小值 t上針對(duì)從 1 kSPS 到 1 MSPS 的多個(gè)采樣速率確定，定義為最短的上這會(huì)導(dǎo)致放大器持續(xù)使能的情況下SINAD（信噪比和失真）衰減<0.5 dB。該圖顯示，在低采樣率下處理慢速輸入信號(hào)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的節(jié)能。但更重要的是，對(duì)于更高吞吐量的系統(tǒng)，潛在的節(jié)省仍然很大，在100 kSPS時(shí)高達(dá)65%，在1 MSPS時(shí)高達(dá)35%。需要注意的是，圖4反映了連續(xù)采樣系統(tǒng)中單個(gè)單位增益緩沖器的性能。但是，如前所述，這些DPS概念可以很容易地應(yīng)用于基準(zhǔn)電壓緩沖器，并期望獲得類似的結(jié)果。

圖4.具有動(dòng)態(tài)功率縮放的相對(duì)放大器功率—實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

雖然DPS是一個(gè)相對(duì)較新的概念，并且需要考慮設(shè)計(jì)和時(shí)序考慮因素，但初步結(jié)果是有希望的。有一點(diǎn)非常清楚，對(duì)更高性能和更低功耗的渴望將持續(xù)到未來(lái)，這將進(jìn)一步增加對(duì)創(chuàng)造性低功耗解決方案的需求。

審核編輯：郭婷