如何在高精度測(cè)量中節(jié)省功耗

本應(yīng)用筆記介紹了具有低功耗儀表放大器（INA）結(jié)構(gòu)的逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC），該結(jié)構(gòu)取代應(yīng)變片檢測(cè)電路中的Δ-ΣADC，作為模擬前端。這不僅有助于實(shí)現(xiàn)更好的分辨率，而且可以節(jié)省電池電量并降低成本。

介紹

在精密信號(hào)調(diào)理和測(cè)量應(yīng)用中，Δ-Σ型ADC通常優(yōu)于SAR ADC，因?yàn)樗哂懈叻直媛瘦敵龊透叨燃傻膬?nèi)部模塊，如可編程增益放大器（PGA）或通用輸入輸出（GPIO）基準(zhǔn)電壓源。然而，在某些情況下，三角積分ADC的高分辨率是不需要或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，其高功耗成為一個(gè)缺點(diǎn)。

讓我們以應(yīng)變片傳感器為例，它可用于惠斯通電橋，將目標(biāo)信號(hào)（壓力、負(fù)載、力等）轉(zhuǎn)換為幾毫伏范圍內(nèi)的差分電橋輸出電壓。在這種情況下，將需要具有大增益的放大器作為模擬前端（AFE）。例如，要將具有10mV滿量程輸出的應(yīng)變片傳感器連接到具有2.5V滿量程電壓的Δ-Σ型ADC，需要將PGA配置為具有250增益。這種高增益PGA給AFE增加了顯著的噪聲，將24位Δ-Σ ADC的有效分辨率降低到12位。除了降低分辨率外，固定的高過(guò)采樣率決定了Δ-Σ型ADC的電流消耗，而Δ-Σ ADC的電流消耗可能相當(dāng)高，并導(dǎo)致電池壽命顯著縮短。由于內(nèi)部電路的復(fù)雜性，Δ-Σ型ADC也承擔(dān)了大量成本。

這種方法的替代方案是SAR ADC與高增益INA相結(jié)合，可以消耗更少的功率，具有相似的分辨率，同時(shí)降低解決方案成本。每個(gè)SAR ADC都實(shí)現(xiàn)了兩相跟蹤和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在跟蹤（數(shù)據(jù)采集）階段，SAR ADC消耗的功耗非常低，大部分功耗發(fā)生在轉(zhuǎn)換階段。這使得SAR ADC的功耗隨采樣速率而縮小。在應(yīng)變片檢測(cè)電路中，數(shù)據(jù)采集速率可低至1000sps。在如此低的采樣速率下，一些SAR ADC消耗納瓦的功率。與集成PGA的Δ-Σ型ADC相比，與集成PGA的Δ-Σ型ADC相比，SAR ADC與低功耗INA一起可節(jié)省50%以上的功耗。與Δ-Σ型ADC一樣，SAR ADC的性能受到INA的限制。憑借現(xiàn)代高性能、低噪聲INA，SAR ADC能夠以有效的14至16位分辨率測(cè)量應(yīng)變片檢測(cè)信號(hào)，其性能與24位Δ-Σ型ADC相似甚至更好。

總之，SAR ADC+INA結(jié)構(gòu)是電池供電應(yīng)變傳感器AFE的更好選擇，因?yàn)樗哂邢嗨频木?，降低了功耗和成本。在由電池供電的?yīng)用中，功耗始終是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)考慮使用低功耗、低噪聲、高精度INA和SAR ADC，而不是傳統(tǒng)的Δ-Σ型ADC。

電路詳細(xì)說(shuō)明

SAR ADC+INA的結(jié)構(gòu)如圖1所示。惠斯通電阻電橋用于表示應(yīng)變片檢測(cè)電路;RC濾波器放置在INA和SAR ADC之間。INA的差分輸入可以連接以直接橋接輸出。SAR ADC輸入應(yīng)為單端或差分輸入，負(fù)輸入接地。

正如我們已經(jīng)討論過(guò)的，INA的噪聲性能限制了SAR ADC的有效分辨率。例如，對(duì)于噪聲密度為100nV/和帶寬為3kHz的INA，INA輸入端的總帶寬噪聲為5.48μV有效值.當(dāng)INA配置為3VADC輸入范圍的增益為100時(shí)，信噪比（SNR）為65.7dB。如果我們選擇噪聲密度為的INA 40nV/ ，信噪比為73.5dB。因此，40nV左右的噪聲密度。

足以實(shí)現(xiàn)11至12位分辨率。

為了節(jié)省更多功率，請(qǐng)注意INA和SAR ADC。對(duì)于INA，低靜態(tài)電流很重要。需要靜態(tài)電流低于 100μA 的 INA。正如我們已經(jīng)討論過(guò)的，SAR ADC在較慢的采樣速率下消耗更少的功率。有許多SAR ADC具有此功能。我們的目標(biāo)是使用電源電流范圍為10μA（包括AVDD和OVDD）的SAR ADC。因此，SAR ADC+INA的總電流消耗約為110μA。相比之下，目前市場(chǎng)上所有采用PGAS的Δ-Σ型ADC消耗的電流都超過(guò)300μA。

根據(jù)我們?yōu)榇藨?yīng)用程序列出的要求找到合適的 INA 聽(tīng)起來(lái)很容易，但是，當(dāng)您進(jìn)行研究時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)選擇很少。功耗是瓶頸。由于噪聲性能相似，大多數(shù)INA在1mA范圍內(nèi)消耗電流。

噪聲密度，PGA增益為100，功耗僅為65μA，可以構(gòu)建這樣的電路。MAX41400的另一個(gè)特點(diǎn)是其可編程增益，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保證增益誤差。傳統(tǒng)的INA通常使用單個(gè)外部電阻和兩個(gè)內(nèi)部電阻來(lái)設(shè)置增益。雖然用戶可以使用不同值的外部電阻來(lái)調(diào)節(jié)增益，但外部元件總是會(huì)增加額外的增益誤差和增益漂移。使用內(nèi)部電阻可提供最佳的精度和溫度范圍內(nèi)的增益漂移。MAX41400在所有增益選項(xiàng)中的增益誤差低至0.05%，溫度漂移為5ppm/°C。它還提供多達(dá) 8 種不同的增益設(shè)置，并且可以即時(shí)更改。

圖1.SAR ADC+INA結(jié)構(gòu)。

從工作臺(tái)測(cè)量

如前所述，SAR ADC+INA非常適合采用紐扣電池的應(yīng)變片檢測(cè)應(yīng)用，如自行車功率計(jì)。應(yīng)變片傳感器安裝在曲柄臂上以測(cè)量其扭矩。現(xiàn)有解決方案使用具有內(nèi)部128 PGA增益的24位Δ-Σ ADC?？傆行Х直媛蕿?2位，功耗為305μA。我們用SAR+MAX41400組合取代了Δ-Σ型ADC，作為AFE。在工作臺(tái)上進(jìn)行并完成實(shí)驗(yàn)以比較性能。

我們使用3.2V鋰離子電池作為電源，為MAX41400、SAR ADC、基準(zhǔn)電壓源和微控制器供電。我們使用信號(hào)發(fā)生器提供差分信號(hào)來(lái)表示應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)。微控制器向SAR ADC發(fā)送命令以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，以1000sps的采樣率從SAR ADC收集數(shù)據(jù)。表 1 中列出了每個(gè)部分的功耗。

交流性能通過(guò)11Hz正弦波測(cè)試，幅度為27mV，MAX41400 PGA增益配置為100。ENOB 以不同的采樣率計(jì)算。

我們測(cè)試了兩種分辨率不同的SAR ADC，并在表3中總結(jié)了所有三種解決方案。比較電流消耗和有效分辨率。與Δ-Σ型ADC相比，帶有SAR ADC的MAX41400可以實(shí)現(xiàn)更有效的分辨率，并且具有更低的電流消耗。

結(jié)論

Δ-Σ型ADC以精密測(cè)量而聞名;然而，高增益PGA通常會(huì)限制其性能。INA與SAR ADC相結(jié)合，在功耗至關(guān)重要的情況下是更好的選擇。選擇正確的INA時(shí)需要小心。MAX41400具有低功耗、低噪聲和可編程增益，非常適合前端檢測(cè)。

審核編輯：郭婷