降低 SAR ADC 驅(qū)動器的放大器功耗

　　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(dāng)在使用SAR ADC 監(jiān)測應(yīng)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(yīng)考慮使用低占空比。

　　這對 ADC 來說已經(jīng)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(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態(tài)范圍內(nèi)的同時，最大限度降低 ADC 及其驅(qū)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(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(yīng)注意OPA836的產(chǎn)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(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(diào)電壓達 500uV，可充分滿足 12 位應(yīng)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(dāng)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。現(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(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間常數(shù)。

　　解決這個問題的方法是當(dāng)放大器處于關(guān)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(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)閉時間常數(shù)。當(dāng) 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(dāng)?shù)墓材ｋ妷?，幫助安?ADC 進行下一次轉(zhuǎn)換。當(dāng)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。