系統(tǒng)低功耗模擬組件的設(shè)計(jì)技術(shù)

本文將介紹系統(tǒng)低功耗模擬組件的設(shè)計(jì)技術(shù)

嘗試降低系統(tǒng)功耗時(shí)，一種方法是尋找要優(yōu)化或移除的設(shè)備。另一種方法是在組件級(jí)別進(jìn)行評(píng)估之前，將系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行評(píng)估并針對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行優(yōu)化。

添加外部 ADC 以降低整體系統(tǒng)功耗

在低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 集成到控制器中可減少整體組件數(shù)量、成本和理想的功耗。但這種做法實(shí)際上可能會(huì)增加整體功耗。

當(dāng)以 1kSPS 采樣時(shí)，幾個(gè)低功耗微控制器 (MCU) 中集成 ADC 的典型功耗通常大于分立 ADC 的功耗（圖 1）。因此，您實(shí)際上可以通過放置一個(gè)低功耗 ADC，如微控制器外部的 ADS7042，并關(guān)閉微控制器的集成 ADC。事實(shí)上，TI 的ADS7042超低功耗 12 位 ADC 在以 1kSPS 采樣時(shí)僅消耗 234nW 的功率。

圖 1：集成 ADC 與 ADS7042 在 1kSPS 時(shí)的功耗

使用分立式 ADC 而不是集成式 ADC 的另一個(gè)好處是，您可以將轉(zhuǎn)換器保持在傳感器信號(hào)附近，以最大限度地減少噪聲拾取。分立式 ADC 還可以幫助擴(kuò)展微控制器可以支持的模擬輸入通道的數(shù)量。

添加設(shè)備以節(jié)省功率的一個(gè)問題是分立設(shè)備所需的電路板面積。ADS7042 的 1.5mm x 1.5mm 8 引腳四方扁平無引線 (QFN) 封裝比標(biāo)準(zhǔn) 0805 表面貼裝組件更小，從而最大限度地減少了對(duì)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸的影響。此外，低引腳數(shù)有助于在布局過程中最大限度地減少布線。

檢查低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路

無論您最終為低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇哪種類型的 ADC，重要的是要了解如何優(yōu)化 ADC 周圍的電路以降低整體功耗。數(shù)據(jù)采集??系統(tǒng)中的主要組件是傳感器輸入、將傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)到 ADC 的緩沖器、ADC 和 ADC 的電源。

ADS7042 BoosterPack展示了一個(gè)低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示例，它是一款與TI LaunchPad? 開發(fā)套件生態(tài)系統(tǒng)兼容的開發(fā)板。ADS7042 BoosterPack 上的電路旨在轉(zhuǎn)換來自板載環(huán)境光傳感器或超小型 A 型 (SMA) 連接器的模擬數(shù)據(jù)（圖 2）。

圖 2：ADS7042 BoosterPack 上模擬輸入信號(hào)的電路圖

當(dāng)從連接到由 OPA316 緩沖的 SMA 連接器的模擬傳感器源轉(zhuǎn)換外部傳感器輸入時(shí)，驅(qū)動(dòng)器在 3.3V 時(shí)消耗 400μA 的電流，從而導(dǎo)致 1.32mW 的功耗。這大約占系統(tǒng)總功率的 65%——其中包括 REFE3330 電壓基準(zhǔn)的功率 (12.87μW) 和 ADS7042 ADC 的功率 (690μW)。如果傳感器在沒有額外驅(qū)動(dòng)器的情況下直接連接到 ADC，就像板載環(huán)境光傳感器一樣，傳感器電路僅消耗 99μW 的功率。這是 OPA316 在電路的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)中消耗的功率的 7.5%，甚至沒有考慮驅(qū)動(dòng)模擬輸入信號(hào)源所需的功率（表 1）。

表 1：ADS7042 BoosterPack 的電路功耗

減少對(duì)驅(qū)動(dòng)器的需求有助于降低整體功耗。但是，使用此解決方案有明顯的權(quán)衡取舍。您必須降低 ADC 的采樣率，以最大限度地延長輸入采樣電容器 (C SH ) 的建立時(shí)間。但這還具有降低采樣率和 ADC 功耗的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的功耗與采樣率呈線性關(guān)系（圖 3）。

圖 3：ADS7042 的功耗與采樣率

在此示例中，使用外部分立式 ADC 有助于降低整體系統(tǒng)功耗。

審核編輯：湯梓紅