圖1.基於SAR型ADC的數據采集子係統的框圖

 

簡單而言，DPS就是一個在需要時啟用電子元件、在不需要時禁用電子元件的動態過程。圖1所示為一個典型的基於SAR型ADC的數據采集子係統。SAR型ADC的一個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驅動器和基準電壓源緩衝器不能與SAR一(yi)樣(yang)享(xiang)有(you)自(zi)動(dong)功(gong)耗(hao)調(tiao)節(jie)功(gong)能(neng)。它(ta)們(men)通(tong)常(chang)會(hui)在(zai)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)時(shi)上(shang)電(dian)並(bing)啟(qi)用(yong)，這(zhe)樣(yang)會(hui)消(xiao)耗(hao)過(guo)多(duo)的(de)電(dian)能(neng)。假(jia)設(she)啟(qi)用(yong)時(shi)間(jian)足(zu)夠(gou)短(duan)，便(bian)可(ke)以(yi)動(dong)態(tai)方(fang)式(shi)驅(qu)動(dong)放(fang)大(da)器(qi)關(guan)斷(duan)引(yin)腳(jiao)
，從(cong)而(er)禁(jin)用(yong)ADC轉換之間的放大器。這就是動態功耗調節。通過對放大器運用DPS，可大幅降低其平均電流消耗。借助DPS，放大器靜態電流隨關斷引腳正在被驅動的負載周期而變化。理論平均靜態電流可由下式得出

 

 

其中：

 

● I_AVG為平均DPS靜態電流

 

● I_{Q_ON}為已啟用的放大器的靜態電流

 

● I_{Q_OFF}為已禁用的放大器的靜態電流

 

● t_ON為啟用放大器的時間

 

● t_S為采樣頻率周期

 

本文的其餘部分將聚焦於ADC驅動器放大器，但DPS概念也可運用至基準電壓源緩衝器，而且得到的結果類似。

 

圖2.在選定t_ON（與一直啟用的放大器相關）時進行DPS的理論放大器功耗

 

動態功耗調節介紹

 

圖2顯示了ADC驅動器放大器在一直啟用時的理論效率提升。f_R處的豎直基準線代表ADC功耗等於一直啟用的驅動器放大器的功耗時的采樣頻率。采樣速率較低時，放大器的功耗占主導，采樣速率較高時，ADC的功耗占主導。基準頻率(f_R)將隨放大器和選定ADC的功耗而變化，但基本概念依然相同。進行功耗調節的同一放大器的相對效率提升以三種不同的t_ON值顯示。不出所料，采樣速率給定時，更小的t_ON會產生更高的效率，並且能夠以更高的采樣速率運用DPS。陰影區域表明，逐漸減小t_ON產生的最大提升區域一般會延伸至約10個f_R以下。由於采樣速率會繼續降至此點以下，因此可實現最大的整體功耗節約，但進一步減小t_ON帶來的優勢可以忽略不計
，因為功耗逐漸接近關斷或禁用狀態的功耗。

 

要利用DPS獲得最高的性能
，係統時序和確定最小t_ON至關重要。

 

圖3.放大器和ADC控製信號的簡化時序圖

 

圖3所示為ADC和驅動器放大器的簡化時序圖。圖1中的係統時序功能塊（FPGA、DSP和微控製器）可提供恰當的定時ADC轉換開始(CNV)和放大器關斷(PD)信號。SAR型ADC會在CNV的上升沿啟動轉換。在CNV的上升沿前，放大器在ADC采集階段上電一段時間(t_ON)，然後與CNV的上升沿同步關斷。t_ON的值為多大才恰當？

 

雖然圖2說明了使用隨機的t_ON值時的概念，但其清楚表明，DPS的全部價值將僅在使用最小t_ON時實現。這是放大器必須在ADC轉換開始前啟用以確保結果準確的最短時間。更短的時間將導致SNR或THD降低
，更長的時間將不會引起任何性能提升。實際上最小t_ON在整個采樣速率範圍內並非固定，並且必須根據具體應用

，用經驗進行確定。最小t_ON因不同的放大器和係統而異。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t_ON會隨著采樣速率的增大而減小。通常，1 kSPS時需要~4 μs，而1 MSPS時則隻需要~600 ns。采(cai)樣(yang)速(su)率(lv)較(jiao)低(di)時(shi)

，由(you)於(yu)處(chu)於(yu)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)的(de)時(shi)間(jian)延(yan)長(chang)
，因(yin)而(er)較(jiao)長(chang)的(de)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)會(hui)為(wei)內(nei)部(bu)放(fang)大(da)器(qi)節(jie)點(dian)放(fang)電(dian)提(ti)供(gong)更(geng)多(duo)的(de)時(shi)間(jian)
，因(yin)而(er)開(kai)啟(qi)時(shi)間(jian)更(geng)長(chang)。相(xiang)反(fan)地(di)

，采(cai)樣(yang)速(su)率(lv)更(geng)高(gao)時(shi)，此(ci)時(shi)間(jian)段(duan)更(geng)短(duan)
，因(yin)而(er)內(nei)部(bu)放(fang)電(dian)時(shi)間(jian)更(geng)短(duan)。事(shi)實(shi)上(shang)，隨(sui)著(zhe)采(cai)樣(yang)速(su)率(lv)提(ti)高(gao)
，有(you)限(xian)的(de)放(fang)大(da)器(qi)關(guan)斷(duan)時(shi)間(jian)將(jiang)變(bian)得(de)長(chang)於(yu)在(zai)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)消(xiao)耗(hao)的(de)時(shi)間(jian)。實(shi)際(ji)上(shang)
，放(fang)大(da)器(qi)在(zai)完(wan)成(cheng)關(guan)斷(duan)過(guo)程(cheng)前(qian)就(jiu)已(yi)經(jing)重(zhong)新(xin)開(kai)啟(qi)。這(zhe)看(kan)起(qi)來(lai)是(shi)人(ren)為(wei)式(shi)的(de)快(kuai)速(su)開(kai)啟(qi)時(shi)間(jian)，但(dan)在(zai)性(xing)能(neng)數(shu)據(ju)未(wei)減(jian)小(xiao)時(shi)卻(que)十(shi)分(fen)有(you)效(xiao)。

 

預測潛在功耗節省量時需要考慮的最後一點是輸入信號頻率的影響。迄今為止，我們已通過使用給定放大器的計算靜態電流對DPSdegainianjinxingshuoming。jiangyigexinhaoshijiazaifangdaqishurushi
，yehuichuxiansuishuruxinhaopinlvzengdaerzengdadedongtaidianliu。ruguoshurupinlvzugoudi

，yingxiangweihuqiwei。suizhepinlvzengda，fangdaqishuchuduandeRC網絡會顯示更大的負載，因而需要放大器提供更大的電流來處理此信號。

 

使用前麵提及的ADA4805-1和AD7980並將這些概念綜合在一起便可得到圖4中的曲線。此圖顯示了進行動態功耗調節的ADC驅動器放大器相對於同樣的放大器在一直啟用時的功耗（用百分比表示）。我們繪製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。我們確定了介於1 kSPS至1 MSPS之間的多個采樣速率的最小t_ON，並將其定義為導致SINAD（信噪失真比）與一直啟用的放大器相比減小不超過0.5 dB的t_ON。此圖顯示
，在低采樣速率下處理緩慢輸入信號時
，功耗節省量最高可達95%。但對更高吞吐量的係統而言更重要的是，潛在功耗節省量仍然非常高，在100 kSPS時最高可達65%，在1 MSPS時最高可達35%。必須注意
，圖4反映的是一個單位增益緩衝器在持續被采樣的係統中的性能。但是，如之前所述，可將這些DPS概念輕鬆運用至基準電壓源緩衝器，而且得到的結果類似。

 

圖4.放大器功耗與動態功耗調節的關係—試驗結果

 

雖然DPS是(shi)一(yi)種(zhong)相(xiang)對(dui)較(jiao)新(xin)的(de)概(gai)念(nian)，而(er)且(qie)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)設(she)計(ji)和(he)時(shi)序(xu)因(yin)素(su)
，但(dan)是(shi)其(qi)初(chu)步(bu)成(cheng)果(guo)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)。很(hen)明(ming)顯(xian)，對(dui)更(geng)高(gao)性(xing)能(neng)和(he)更(geng)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)渴(ke)望(wang)將(jiang)延(yan)續(xu)到(dao)未(wei)來(lai)，從(cong)而(er)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)對(dui)創(chuang)意(yi)低(di)功(gong)耗(hao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)需(xu)求(qiu)。

 

 

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