降低 SAR ADC 驱动器的放大器功耗

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、4MSPSADS7881SAR 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。