【導讀】在今天的數據采集系統(DAQ)中，需要不斷突破性能極限。系統設計人員需要更高的速度、更低的噪聲和更優(yōu)的總諧波失真(THD)性能，所有這些都有可能實(shí)現，但卻并非免費。實(shí)現這些性能改進(jìn)通常需要更大的工作電流，而更大的工作電流則會(huì )產(chǎn)生更高的功耗。但是，在許多應用中，功耗敏感性也越來(lái)越受關(guān)注。原因有很多種?？赡苁怯捎趹檬且环N利用紐扣電池進(jìn)行工作的遠程系統，其主要關(guān)注點(diǎn)是電池壽命。也可能是由于應用是一種多通道系統，其通道數較多、電路密度較高，會(huì )造成熱量集中，從而產(chǎn)生由溫度引起的漂移問(wèn)題。無(wú)論何種情況，最大限度降低電流消耗和功耗都是重中之重。系統設計人員必須權衡更高性能和更低功耗帶來(lái)的競爭優(yōu)勢。解決此問(wèn)題的一種途徑是借助一個(gè)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)功耗調節(DPS)的過(guò)程。
圖1.基于SAR型ADC的數據采集子系統的框圖
簡(jiǎn)單而言，DPS就是一個(gè)在需要時(shí)啟用電子元件、在不需要時(shí)禁用電子元件的動(dòng)態(tài)過(guò)程。圖1所示為一個(gè)典型的基于SAR型ADC的數據采集子系統。SAR型ADC的一個(gè)主要屬性是其功耗隨吞吐速率而變化，這使其非常適合功耗敏感型應用。以往，ADC驅動(dòng)器和基準電壓源緩沖器不能與SAR一樣享有自動(dòng)功耗調節功能。它們通常會(huì )在系統運行時(shí)上電并啟用，這樣會(huì )消耗過(guò)多的電能。假設啟用時(shí)間足夠短，便可以動(dòng)態(tài)方式驅動(dòng)放大器關(guān)斷引腳，從而禁用ADC轉換之間的放大器。這就是動(dòng)態(tài)功耗調節。通過(guò)對放大器運用DPS，可大幅降低其平均電流消耗。借助DPS，放大器靜態(tài)電流隨關(guān)斷引腳正在被驅動(dòng)的負載周期而變化。理論平均靜態(tài)電流可由下式得出
其中：
● IAVG為平均DPS靜態(tài)電流
● IQ_ON為已啟用的放大器的靜態(tài)電流
● IQ_OFF為已禁用的放大器的靜態(tài)電流
● tON為啟用放大器的時(shí)間
● tS為采樣頻率周期
本文的其余部分將聚焦于A(yíng)DC驅動(dòng)器放大器，但DPS概念也可運用至基準電壓源緩沖器，而且得到的結果類(lèi)似。
圖2.在選定tON（與一直啟用的放大器相關(guān)）時(shí)進(jìn)行DPS的理論放大器功耗
動(dòng)態(tài)功耗調節介紹
圖2顯示了ADC驅動(dòng)器放大器在一直啟用時(shí)的理論效率提升。fR處的豎直基準線(xiàn)代表ADC功耗等于一直啟用的驅動(dòng)器放大器的功耗時(shí)的采樣頻率。采樣速率較低時(shí)，放大器的功耗占主導，采樣速率較高時(shí)，ADC的功耗占主導?；鶞暑l率(fR)將隨放大器和選定ADC的功耗而變化，但基本概念依然相同。進(jìn)行功耗調節的同一放大器的相對效率提升以三種不同的tON值顯示。不出所料，采樣速率給定時(shí)，更小的tON會(huì )產(chǎn)生更高的效率，并且能夠以更高的采樣速率運用DPS。陰影區域表明，逐漸減小tON產(chǎn)生的最大提升區域一般會(huì )延伸至約10個(gè)fR以下。由于采樣速率會(huì )繼續降至此點(diǎn)以下，因此可實(shí)現最大的整體功耗節約，但進(jìn)一步減小tON帶來(lái)的優(yōu)勢可以忽略不計，因為功耗逐漸接近關(guān)斷或禁用狀態(tài)的功耗。
要利用DPS獲得最高的性能，系統時(shí)序和確定最小tON至關(guān)重要。
圖3.放大器和ADC控制信號的簡(jiǎn)化時(shí)序圖
圖3所示為ADC和驅動(dòng)器放大器的簡(jiǎn)化時(shí)序圖。圖1中的系統時(shí)序功能塊（FPGA、DSP和微控制器）可提供恰當的定時(shí)ADC轉換開(kāi)始(CNV)和放大器關(guān)斷(PD)信號。SAR型ADC會(huì )在CNV的上升沿啟動(dòng)轉換。在CNV的上升沿前，放大器在A(yíng)DC采集階段上電一段時(shí)間(tON)，然后與CNV的上升沿同步關(guān)斷。tON的值為多大才恰當？
雖然圖2說(shuō)明了使用隨機的tON值時(shí)的概念，但其清楚表明，DPS的全部?jì)r(jià)值將僅在使用最小tON時(shí)實(shí)現。這是放大器必須在A(yíng)DC轉換開(kāi)始前啟用以確保結果準確的最短時(shí)間。更短的時(shí)間將導致SNR或THD降低，更長(cháng)的時(shí)間將不會(huì )引起任何性能提升。實(shí)際上最小tON在整個(gè)采樣速率范圍內并非固定，并且必須根據具體應用，用經(jīng)驗進(jìn)行確定。最小tON因不同的放大器和系統而異。例如，如果在圖1的電路中使用ADA4805-1和AD7980的放大器/ADC組合，則最小tON會(huì )隨著(zhù)采樣速率的增大而減小。通常，1 kSPS時(shí)需要~4 μs，而1 MSPS時(shí)則只需要~600 ns。采樣速率較低時(shí)，由于處于關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間延長(cháng)，因而較長(cháng)的一段時(shí)間會(huì )為內部放大器節點(diǎn)放電提供更多的時(shí)間，因而開(kāi)啟時(shí)間更長(cháng)。相反地，采樣速率更高時(shí)，此時(shí)間段更短，因而內部放電時(shí)間更短。事實(shí)上，隨著(zhù)采樣速率提高，有限的放大器關(guān)斷時(shí)間將變得長(cháng)于在關(guān)斷狀態(tài)消耗的時(shí)間。實(shí)際上，放大器在完成關(guān)斷過(guò)程前就已經(jīng)重新開(kāi)啟。這看起來(lái)是人為式的快速開(kāi)啟時(shí)間，但在性能數據未減小時(shí)卻十分有效。
預測潛在功耗節省量時(shí)需要考慮的最后一點(diǎn)是輸入信號頻率的影響。迄今為止，我們已通過(guò)使用給定放大器的計算靜態(tài)電流對DPS的概念進(jìn)行說(shuō)明。將一個(gè)信號施加在放大器輸入時(shí)，也會(huì )出現隨輸入信號頻率增大而增大的動(dòng)態(tài)電流。如果輸入頻率足夠低，影響微乎其微。隨著(zhù)頻率增大，放大器輸出端的RC網(wǎng)絡(luò )會(huì )顯示更大的負載，因而需要放大器提供更大的電流來(lái)處理此信號。
使用前面提及的ADA4805-1和AD7980并將這些概念綜合在一起便可得到圖4中的曲線(xiàn)。此圖顯示了進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗調節的ADC驅動(dòng)器放大器相對于同樣的放大器在一直啟用時(shí)的功耗（用百分比表示）。我們繪制了選定輸入頻率下的DPS效率圖，用以描述更高的輸入頻率對功耗的影響。我們確定了介于1 kSPS至1 MSPS之間的多個(gè)采樣速率的最小tON，并將其定義為導致SINAD（信噪失真比）與一直啟用的放大器相比減小不超過(guò)0.5 dB的tON。此圖顯示，在低采樣速率下處理緩慢輸入信號時(shí)，功耗節省量最高可達95%。但對更高吞吐量的系統而言更重要的是，潛在功耗節省量仍然非常高，在100 kSPS時(shí)最高可達65%，在1 MSPS時(shí)最高可達35%。必須注意，圖4反映的是一個(gè)單位增益緩沖器在持續被采樣的系統中的性能。但是，如之前所述，可將這些DPS概念輕松運用至基準電壓源緩沖器，而且得到的結果類(lèi)似。
圖4.放大器功耗與動(dòng)態(tài)功耗調節的關(guān)系—試驗結果
雖然DPS是一種相對較新的概念，而且需要考慮設計和時(shí)序因素，但是其初步成果非常有效。很明顯，對更高性能和更低功耗的渴望將延續到未來(lái)，從而進(jìn)一步增加對創(chuàng )意低功耗解決方案的需求。
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