利用快速、高精度SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器延長電池壽命

由于ADC驅(qū)動SDO引腳，主機(jī)微控制器驅(qū)動CS、CONVST和SCLK引腳，因此可通過盡可能減少所有器件的引腳電容來實現(xiàn)最低功耗。

對于CS和CONVST引腳，開關(guān)頻率僅取決于吞吐速率。如前所述，SCLK頻率應(yīng)設(shè)置為可支持的最大頻率，以便降低功耗。這并不矛盾：重要的是SCLK并不是自由運行——它應(yīng)該僅在盡可能短的時間內(nèi)激活，以便在SDO線路上傳播每個位檢驗的結(jié)果并控制轉(zhuǎn)換過程。這點依器件和分辨率而定，但通常為每位一個周期，再加上一些開銷;對于12位轉(zhuǎn)換器SPI接口，每次采樣約為16個SCLK周期。因此，SCLK的最小頻率為所需周期數(shù)乘以吞吐速率。

SDO線路的頻率取決于吞吐速率和轉(zhuǎn)換結(jié)果。雖然這個無法進(jìn)行控制，但是設(shè)計人員應(yīng)該了解它會對轉(zhuǎn)換功耗造成什么影響。當(dāng)結(jié)果為101010…序列時，功耗最大;當(dāng)結(jié)果為全1或全0時，功耗最小。

除了降低吞吐速率之外，減小VDRIVE電壓也可明顯降低功耗。模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過單電源引腳或單獨的電源來為模擬電路和數(shù)字接口供電。使用單獨的VDRIVE電源時，設(shè)計靈活性更高并且無需電平轉(zhuǎn)換器，因為模數(shù)接口電壓可與SPI主機(jī)的電壓相匹配。為VDRIVE 選擇可用的最低電壓時，系統(tǒng)功耗將最低。

圖2比較了12位ADC在VDRIVE值為3 V和1.8 V時標(biāo)準(zhǔn)SPI接口(含CS、SDO和SCLK)的典型功耗要求與總?cè)菪载?fù)載的關(guān)系，其中吞吐速率為100 kSPS、每次轉(zhuǎn)換16個SCLK周期以及最差情況SDO輸出為1010。

圖2. 典型接口功耗與容性負(fù)載的關(guān)系

ADC電路設(shè)計的其它典型構(gòu)成要素包括基準(zhǔn)電壓源和運算放大器。不言而喻，應(yīng)針對低功耗認(rèn)真選擇這些元件。有些基準(zhǔn)電壓源帶有關(guān)斷模式，以便在非活動期間降低功耗。放大器選擇視應(yīng)用而定，因此應(yīng)考慮到系統(tǒng)吞吐速率，以確保所選放大器能夠使ADC性能達(dá)到最佳，同時使功耗降至最低。

12位AD7091R專為低功耗應(yīng)用而設(shè)計，具有一個SPI接口和一個片內(nèi)精密2.5 V基準(zhǔn)電壓源，采樣速率為1 MSPS。轉(zhuǎn)換通過CONVST引腳啟動。片內(nèi)振蕩器控制轉(zhuǎn)換過程，使之能夠優(yōu)化功耗。引腳電容很小，最大值為5 pF。寬輸入電壓范圍(2.7 V至5.25 V)允許集成到更廣泛的應(yīng)用中，而不僅僅是電池供電應(yīng)用。單獨的1.65 V至5.25 V VDRIVE電源則可降低功耗，并提高系統(tǒng)集成能力。

采樣速率為1 MSPS且VDD為3 V時，AD7091R功耗為349 μA(典型值)。由于其功率與吞吐速率成正比，因此100 kSPS時靜態(tài)電流為55 μA。不執(zhí)行轉(zhuǎn)換但基準(zhǔn)電壓源激活時，靜態(tài)電流為21.6 μA;在關(guān)斷模式下，電流僅為264 nA。AD7091R采用10引腳MSOP或LFCSP封裝。

驅(qū)動AD7091R的典型放大器包括AD8031(針對快速吞吐速率應(yīng)用)和AD8420(針對較低帶寬應(yīng)用)。采用2.7 V電源供電時，AD8031的靜態(tài)功耗為750 μA(典型值);采用5 V電源供電時，AD8420的靜態(tài)功耗為70 μA(典型值)。

圖3所示為通過CR2032鋰電池供電時AD7091R的典型功耗和計算得出的電池壽命?？梢郧宄闯?，隨著吞吐速率降低，電池壽命明顯延長。

圖3. AD7091R電池壽命和功耗與吞吐速率的關(guān)系

與多數(shù)其它ADC相比，AD7091R可以在功耗預(yù)算上實現(xiàn)顯著節(jié)省效果。例如，與最接近的可用競爭產(chǎn)品(一款不帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的器件)相比時，對于1 MSPS吞吐速率，AD7091R可使功耗降低3倍(對于3 V電源，其功耗典型值為1 mW，而比較產(chǎn)品的功耗典型值為3.9 mW)。這相當(dāng)于將CR2032電池壽命延長400小時?？紤]需要外部基準(zhǔn)電壓源的其它器件時，節(jié)省效果更為明顯。

結(jié)論

除延長電池壽命之外，降低功耗還有其它很多好處。產(chǎn)生的熱量變少，進(jìn)而使尺寸變小。穩(wěn)定性因溫度應(yīng)力降低而得以提高。由于采用更小的元件，因此PCB尺寸得以縮小;另外，由于無需散熱器之類的配件，因此元件數(shù)量得以減少;這些使系統(tǒng)成本降低。

本文概述了系統(tǒng)設(shè)計人員在采用ADC的設(shè)計中優(yōu)化功耗時應(yīng)考慮到的幾個重要因素和好處。