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SARyiyangxiangyouzidonggonghaotiaojiegongneng。tamentongchanghuizaixitongyunxingshishangdianbingqiyong，zheyanghuixiaohaoguoduodedianneng。jiasheqiyongshijianzugouduan，biankeyidongtaifangshiqudongfangdaqiguanduanyinjiao，congerjinyongADC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DPS的(de)概(gai)念(nian)進(jin)行(xing)說(shuo)明(ming)。將(jiang)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)施(shi)加(jia)在(zai)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)時(shi)，也(ye)會(hui)出(chu)現(xian)隨(sui)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)增(zeng)大(da)而(er)增(zeng)大(da)的(de)動(dong)態(tai)電(dian)流(liu)。如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)頻(pin)率(lv)足(zu)夠(gou)低(di)，影(ying)響(xiang)微(wei)乎(hu)其(qi)微(wei)。隨(sui)著(zhe)頻(pin)率(lv)增(zeng)大(da)，放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)RC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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