SAR ADC 功率调节

大家好，欢迎观看TI 高精度实验室， 其中介绍 SAR ADC 功耗调节。 总的来说，该部分将介绍 SAR 数据转换器的功耗的 基本概念以及最大程度地 降低它的方法。 在本视频中，我们将定义和说明模拟 电源功率、数字电源功率和前端驱动器 功率。 让我们首先介绍SAR ADC 的两个基本级。 首先，在采集阶段，SAR ADC 允许输入 信号对采样保持电容器 进行充电。 可以通过在开关二保持断开的情况下闭合开关一 来实现该操作。 接下来，SAR ADC将进入转换阶段。 在转换阶段，采样保持 电容器上的电压转换为数字代码。 开关进行切换，因此 S1现在断开，S2 现在闭合。 此处显示了一个包含以下信号的 通用时序图。 片选、CS、串行时钟、Sclock和串行数据输出 SDO。 采集阶段是无源阶段， 此时 SAR ADC具有很少的 内部活动。 所有转换和通信都 发生在转换阶段。 现在，让我们将采集和转换 阶段与 SAR ADC功耗相关联。 绝大部分功耗来自 转换阶段。 可以将采集阶段称作 零功耗阶段，因为功耗仅 来自静态电流。 在转换阶段，SARADC 将消耗功率 以执行从模拟电压 到数字代码的转换和数字通信。 平均功耗或每个周期的 功耗是采集阶段消耗的电力和 转换阶段消耗的电力之和除以 周期时间。 务必注意，通过扩展 采集阶段，平均功耗 将下降，因为周期时间将 增加。 采集时间越长，平均功耗就越低。 采集周期的时长在外部 放大器驱动器选择方面具有 一些重要的注意事项。 总之，采集周期越长，允许选择的 放大器驱动器的带宽就越低， 这有助于进一步降低系统功耗。 由于了解采集和转换周期 对于低功耗设计而言很重要，因此 我们将深入探究在不同的 SAR 架构中是 如何设置这些周期的。 请注意，不是所有SAR ADC 都支持功耗 调节，因此应确保查阅器件产品 说明书，以了解显示该关系的曲线。 SAR ADC 的采集和转换 时间随内部器件设计而异。 为了了解是什么决定了采集和 转换时间，请查看时序图。 首先，我们将查看具有内部 转换时钟的SAR ADC 的时序。 在采用内部转换时钟时， 转换周期始终具有固定的时长。 用户应用的S 时钟将仅影响 数据通信的速度，而不影响 转换时间。 在该类型的SAR 中，较低的 采样率将增加采集时间，因为 转换时间是固定的。 此处显示的图突出显示了 同一器件的两种不同的时序配置。 顶部的配置采用的 采样率低于底部的 配置。 数据的传输速率 与采样率无关。 实际上，最大通信速率 受器件的限制，而最小 通信速率仅受总周期时间的限制。 由于转换时间始终是固定的， 因此采样率越低，采集时间就越长。 以该方式运行的 TI SAR ADC 的两个示例是 ADS 8881 和 ADS 8332。 请注意，大多数精密 SAR 转换器 使用内部时钟方法来设置转换时间。 这是因为对于精密 SAR 转换器中 更复杂的转换过程，内部时钟 可确保提供干净、低抖动的 时钟。 现在，让我们来看看具有 外部转换时钟的 SAR ADC。 对于该类型的器件，也将用户 提供的 S 时钟用于转换周期。 采用该方法时，转换时间会 设置为固定数量的 S 时钟 周期，因此将随着 S 时钟 频率的变化而增大和减小。 时序图显示了采用同一采样率 但具有不同S 时钟频率的 同一 SAR 操作。 很清楚，在采用更快的 S 时钟时， 采集时间将增大，如顶部的 示例所示。 增大采集时间是有利的，因为 它使输入信号有更多的稳定时间， 从而降低前端驱动器的带宽 要求。 降低放大器的带宽要求可以 进一步降低功耗。 因此，对于显示的示例，顶部的时序图 更好，因为它可以为放大器提供 最大的稳定时间。 使用外部转换时钟的 TI SAR ADC 的两个示例是 ADS7042 和 ADS7056。 请注意，该用于设置采集和转换率的 方法通常用于分辨率较低的 SAR 转换器，例如 8 至 14 位。 正如前面提到的，分辨率较高的转换器 通常使用内部时钟来设置转换时间。 不是所有 SAR ADC都属于这两类 转换时钟之一。 例如，具有 I2C接口的器件的 运行方式与具有SPI 接口的器件 大不相同。 某些 I2C 器件具有用户可 进行写入以设置采集 时间的寄存器。 此外，某些 SPI器件具有固定的 采集窗口。 这意味着器件仅在固定数量的 S 时钟 周期内进行采集。 显示的时序图适用于固定采集 类型的器件。 采用其他时序方法的TI SAR ADC 的两个示例 是 ADS7924 和 ADS8321。 请注意，这些例外并不常见， 大多数器件都属于前两种类型 之一。 关于不同类型的时序图，最好始终 阅读器件数据表， 以完全了解器件如何运行 以及如何确定采集和转换 时间。 SAR ADC 的系统功耗有三个 主要分量。 第一个是模拟电源，缩写为 AVDD。 第二个是数字电源，缩写为 DVDD。 最后一个是前端驱动器电源。 对于这三个功耗分量， 我们将在如何使用 每个因素方面进一步介绍它们。 首先，我们将查看模拟电源功耗。 模拟电源用于SAR ADC 的内部 转换电路。 模拟电源的平均功耗将 随采样率的增加而增加。 这是因为随着采样率增加， 采集时间会减小，从而导致 更频繁的转换阶段。 此处显示了 ADS7042 的数据表电源 电流与吞吐量间的关系图，可以清楚地 看到线性关系。 为了降低系统的功耗， 将采样率降低至应用 可接受的最低吞吐量 可降低平均模拟电源功耗。 使用数据表电源电流与吞吐量 间的关系图，我们可以计算 AVDD 电源 功耗。 在本示例中，器件以 60 万个样本/秒的 采样率运行。 在该图中，我们可以看到 60 万 个样本/秒的典型电源电流为 120 微安。 采用 3.3 伏 AVDD 时，该器件的模拟电源 功耗为 396 微瓦。 请注意，对于某些器件， 基准引脚上会有其他 功耗源。 这可以通过与AVDD 电源功耗 相同的方法进行计算，并被视为额外的源。 接下来，我们将查看数字电源功耗。 SAR ADC 的数字电源 仅用于器件的数字通信 电路。 这意味着数字电源 功耗仅与 SPI或 I2C 电路有关。 对于采用 SPI通信的 SAR 器件， 仅针对串行数据输出线路或 SDO 在数字电源上消耗功率，而不 针对片选、串行数据输入或 系统时钟线路，因为它们都由主设备供电。 功耗是 DVDD电压、采样率、 数字输出代码和电容的 函数。 电容包括 SDO迹线、ADC 和 主器件上的 SDO引脚以及添加到 音频线路上的所有外部电容器。 用于估算平均数字电源电流的 公式为电容乘以 DVDD 电压 乘以音频输出上的 转换频率。 SDO 线路上更多的从低电平到高电平 和从高电平到低电平的输出转换将导致更大的 电流消耗。 从电流消耗的角度而言，最坏的情形 是 SDO 输出上每隔一位进行交替。 右侧的时序图中显示了 12 位 SAR ADC 的最大 SDO 转换次数。 既然我们现在了解了决定数字 电源功耗的因素，那么让 我们来看看用于降低该功耗的方法。 首先，由于数字功耗是 DVDD 的函数， 因此降低DVDD 电压 可实现更低的数字电源功耗。 如果系统能够在 1.8 伏的逻辑 电平下工作，那么从 3.3l 伏 DVDD 切换至 1.8 伏 DVDD 将极大地降低功耗。 接下来，数字电源功耗与 吞吐量成正比。 通过以可能的最低采样率 运行 SAR，可以降低 平均数字电源功耗， 因为音频转换的频率也会降低。 最后，降低印刷电路板或 PCB 上 SDO 线路的迹线电容 可降低功耗。 较短的迹线具有较小的电容。 TI 的模拟工程师计算器 具有内置的工具，可以通过 输入 PCB 和相关迹线的特性来 计算迹线电容。 该幻灯片的底部提供了指向该工具的链接。 让我们粗略地看一个数字电源 功耗示例计算。 使用 DVDD 电流计算公式时， 我们需要DVDD 电压、SDO 线路的电容以及 SDO 转换频率。 首先，很容易确定 VDVDD 电压， 因为它是向器件提供的电压。 在该示例中，我们使用 3.3 伏。 引脚电容通常在器件产品 说明书中提供，或者可以估算为 3 皮法。 接下来，可以使用模拟工程师计算器， 输入您的PCB 特性、迹线 长度和迹线宽度来计算 迹线电容。 通过在计算器中输入这些值，我们 可以确定 SDO迹线电容是 1.322 皮法。 最后，我们需要确定 SDO 转换的频率。 在该示例中，我们具有 12 位的输出，对于12 位，最坏情形 是 SDO 线路在每一位上进行转换，从而产生 12 次 SDO 转换。 可通过获取转换次数并 将其除以时间来确定 SDO 转换 频率。 由于器件以 1 兆个样本/秒的采样率运行，因此周期时间 是 1 微秒。 为了确定 DVDD 电源功率，我们只需将 DVDD 电流乘以DVDD 电压。 通过在公式中输入这些值， 可以得出估算的DVDD 电源功率为 956.8 微瓦。 继续讨论 SAR ADC功耗的第三个 分量，我们现在将重点介绍 前端驱动器。 通常，运算放大器 用于驱动 SARADC 的输入。 该放大器会因放大器静态 电流和放大器电源而消耗功率。 SAR ADC 输入驱动器设计高精度实验室 视频中详细介绍了如何选择用于驱动 SAR ADC 的运算放大器。 这些视频介绍如何 确定前端驱动器所需的带宽。 所需的带宽取决于 SAR ADC 的吞吐量。 当吞吐量较低时，驱动 SAR 所需的 带宽较低。 通常，对于运算放大器，当带宽 规格下降时，静态电流或 IQ 也会下降。 左下角的图显示了一些示例放大器，其中 比较了带宽和静态电流。 为了最大程度地减小前端驱动器 功耗，以较低的采样率运行 SAR 可以允许使用带宽较低的运算 放大器，因此具有更小的静态电流。 请注意，通过将总电源电压 乘以静态电流来计算 该功耗。 在采用静态电流较低的 运算放大器时，前端驱动器功耗将降低。 TI 高精度实验室运算放大器系列 具有一个介绍运算放大器带宽和深度的视频系列。 采用功耗较低的前端驱动器是要 付出代价的。 当运算放大器静态电流降低时， 运算放大器的固有噪声会以 与 IQ 的平方根的倒数成正比的速率增加。 务必记住这一点， 因为功耗和噪声之间存在折衷。 因此，应确定您的系统中哪一方面 重要一些，从而相应地选择放大器。 接下来，运算放大器电路的 反馈电阻器将导致额外的功耗。 有时候，为了降低功耗，人们 使用大值电阻器， 以降低负载电流， 但电阻器噪声会随着电阻的增大而增大。 一条良好的经验法则是，与反馈网络中的电阻器 噪声相比，使运算放大器固有噪声 保持主导地位。 TI 高精度实验室运算放大器系列 还具有一个专门讨论噪声的 视频系列，其中更加详细地探讨了该主题。 此外，当放大器的静态电流下降时， 压摆率通常也会下降。 虽然大多数应用要求针对 SAR ADC 采用前端驱动器，但在某些情况下，可以设计不采用 驱动器的电路。 这适用于用户可以 直接连接到SAR ADC 输入端的 低频电压输入，如左侧的 原理图所示。 该拓扑仅对低采样率有效， TI 提供了展示该拓扑的具体示例的技术手册， 该示例以 2万个样例/秒 及更低的采样率实现精确的测量。 该幻灯片的底部显示了相关链接。 不使用驱动器放大器的优点 是可以节省功耗。 该图显示了系统功耗的测量示例， 很清楚，运算放大器的功耗 大约是总功耗的 50%。 该幻灯片显示了功耗调节的测量 结果示例。 在该示例中，系统使用了 ADS7042，AVDD 为 3.3 伏，DVDD 为 3.3 伏，运算 放大器电源电压为 4.5 伏， 并针对每个采样率使用了不同的运算放大器。 之所以使用了不同的运算放大器，是因为 带宽要求随采样率变化。 您可以在该表中看到三种不同的 功耗水平、使用的放大器和采样率。 功耗分配到三个分量中，我们 在该视频的先前部分中对此进行了讨论，即前端 驱动器功耗、模拟电源功耗和数字电源功耗。 最后一列将三个功耗分量组合在一起，以提供 总系统功耗。 该图中显示了功耗调节，1 千 个样本/秒、10万个样本/秒、 1 兆个样本/秒之间的差异是明显且巨大的。 如果放大 1 千个样本/秒功耗测量， 您现在可以在较小的 y 轴标度上 看到这三个分量。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以检查您对本视频