延长ADC使用寿命的节能技术

在便携式传感器、4至20mA控制回路或具有()的其他系统设计中，功耗越低，意味着电池续航时间越长，控制系统功能越强。在选择满足应用的预算的时，可使用多种技术和折衷方案。

降低功耗最明显的方法是采用电压较低的。如今的ADC可以采用3、2.5甚至1.8V的模拟和数字供电，5至3V的电压降可以实现40%的即时省电。

降低数字电压会引起两个不利因素：ADC上需要一个独立的数字电源引脚，并且数字输出端可能出现较低的驱动电流。通过降低模块电源电压来降低功耗时，主要问题是信噪比(SNR)较低。不过现在的低噪声处理技术和设计技巧可以确保现在的低压ADC的SNR与模拟电源电压较高的大ADC相同。

要对电源进行优化，除了模拟电源电压之外，研究模拟前端的其它部分也非常重要。传统的传感器和模拟输入前端需要0至5V甚至10V的输入范围，以便实现最高的动态性能或者直接连接至传感器。过去，降低电源电压会减小ADC的动态范围。假定传感器输出保持在5或10V的水平不变，那么信号必须进行衰减才能与ADC的输入范围匹配。

在传感器与地之间增加一个电阻分压器就能方便地实现这种信号衰减。大电阻值可用来限制功耗(图1a)。不过，ADC一般需要较低的源阻抗，而这个采用电阻衰减器的方法需要实现低功耗，这两种需求是相互冲突的。

图1：用于测量高电压信号的电阻衰减器可以提供一种限制输入信号的简单方法，以使ADC的输入范围与较低的电源电压相匹配(a)。但是这会导致源阻抗增加，从而需要进行(b)和(c)中的修改。

另一个方案是增加电源与ADC输入端之间的电阻值，以及减小ADC输入端与地之间的电阻值(图1b)。这样的更改可以将ADC的有效阻抗从50 kΩ降低到9.5 kΩ，但同时也会减小ADC的输入范围。假定采用10V的电源，0至5V的输入范围会缩小至0至0.5V。

在图1a和1b中，在电阻分压器与ADC输入端之间增加一个接地的旁路电容器可以将源阻抗与ADC输入端的阻抗隔离。这样的旁路电容可在ADC信号采集阶段迅速将电荷传输到采样电容器中。遗憾的是，此旁路电容器也限制了输入信号的带宽。

因此，第三个方案是在电阻分压器与ADC之间增加一个缓冲放大器(图1c) 。当然，缓冲器和其它放大器/滤波器信号调理级会增加功耗。

相反，如果传感器输出较小的话，减小模拟电源电压和输入范围就不存在什么问题。传感器系统中常用的惠斯登电阻电桥(Wheatstone-bridge)网络就是这样一个例子。每加1V的传感器激励电压时，它即可提供2mV的满量程输出摆幅(典型值)。

在该装置中，ADC测量的传感器输出满量程范围仅为5至10mV。此外，与高分辨率、低噪声基底和出色的总动态范围等其它参数相比，ADC所减小的输入范围的影响不大。

突发模式处理

对功耗要求较高的ADC设计的另一个技巧是“突发模式处理”。ADC先上电进行转换快速突发，然后掉电进入低功耗休眠模式。

这种工作模式非常适合具有快速微控制器或FPGA以及每秒至少能够产生数千安培电流的ADC的应用。掉电时，ADC电源的电流可以降到几微安或更低。这样，平均功耗就会显著低于ADC最快采样率时的功耗。

突发模式处理充分利用了ADC能够以低于其最高采样率的有效速率循环开关的能力。几乎所有的ADC数据手册都会规定最高采样率(也称为输出速率或吞吐率)下的功耗。

三个类似的集成多工器的ADC可以在1ms的时间内测量16个模拟输入，有效采样率均为1ksample/s(图2) 。在最高采样率下，ADC #1在3Msamples/s的采样率下消耗的为8.3mW，ADC #2在1Msamples/s的采样率下消耗的功率为6.0mW，ADC #3在300ksamples/s的采样率下消耗的功率为4.7mW。

图2：三个SAR ADC可以在1ms的时间内测量16个模拟输入。

只看数据手册首页时，功耗最差的似乎是3Msample/s ADC。但是进一步研究其有功功率、关断(或待机)功率和有效的采样率之后，很明显，选择采样率较高的ADC实际上更为合适。