制约敏感型应用：降低SAR ADC驱动器的放大器功耗
由于 sar adc 的功耗随着每一代新器件的推出而不断降低，放大器成了功耗敏感型应用的制约因素。那么我们如何才能进一步降低功耗？在寻找可能的解决方案之前，让我们先考虑一下 adc 功耗降低的原因。
下图 1 直接显示了我们 12 位、4mspsads7881sar adc 的功耗情况，是功耗显著降低的很好例证。
图 1：ads7881功耗与采样率比较
当运行在高时钟速率下时，唯一的省电方法就是降低供电电压。但这并非总是可行的。当在使用sar adc 监测应用时，如果在系统完全唤醒状态下很少有事件会提升采样速度，应考虑使用低占空比。
这对 adc 来说已经很好了，但却没有回答如何显著降低运算放大器功耗的问题。那么我们应该如何做呢？
ads7881是一款 12 位 adc，电压输入范围介于 0v 至 +2.5v 之间。
我选用opa836作为放大器，因其可使用与ads7881相同的电源。使用 +5v 电压供电，我们可在电压保持在输入动态范围内的同时，最大限度降低 adc 及其驱动器功耗。
opa836是一款采用 2x2 毫米 qfn 封装，具有出色压摆功能与线性度的 1ma 运算放大器，是电池供电应用的理想选择。虽然它是一款轨至轨输出 （rro） 器件，但只有在产生少量负电源时，其输出才能摆动至接地。正输出也存在同样的限制，不过在这里没有意义。应注意opa836的产品说明书对最低/最高线性输出电压与饱和输出电压做了明确区分。
对高低电压轨而言，线性工作预留电压空间为 150/250mv，而饱和工作预留电压空间则为 15/43mv。另外，由于opa836的输入不是轨至轨输入 （rri），只含接地，因此电压范围可能只能局限在 -0.2v 至 3.9v 之间。避免这种局限性的合理方法是在增益超过 1v/v 的条件下使用opa836。由于ads7881的最大输入电压范围受 +2.5v 参考电压限制，而我们面临的唯一限制是输出端的负轨，因此单位增益工作完全没有问题。因为opa836是一款高速放大器，因此我们将获得超过 56mhz 的带宽以及超过 100v/ms 的压摆率，可确保带宽与任何信号电平保持恒定。
ads7881的最低有效位 （lsb） 大约是 610mv。opa836最大输入失调电压达 500uv，可充分满足 12 位应用需求。
由于可控制 adc 的时钟速率，因此可在微控制器中生成一个信号来通过适当定时启用/禁用opa836。opa836的 pd 引脚可便捷与ads7881的 busy 引脚、convst 引脚或 nap 引脚同步，将opa836置于禁用模式下。现在要解决的主要问题是放大器的开启时间，以及运算放大器和 adc 之间的滤波器接口强制减速时间常数。
如下图 2 所示，opa836具有关断功能，其开启/关闭速度相当快，可轻松适应高占空比。
图 2：opa836启用/禁用响应
剩下的最大问题是放大器后的滤波器时间常数。
解决这个问题的方法是当放大器处于关断模式时，控制放大器输出端的输出电压，如图 3 所示。
图 3：在禁用模式下保持放大器的共模电压输出
图 4：opa836在输出端保持的中等电压下启用/禁用响应
可以看到，图 2 和图 4 之间唯一的差别是共模不同，放大器仍然有相同的开启/关闭时间常数。当 adc 从采样状态进入保持状态时，放大器的唯一作用是保持适当的共模电压，帮助安排 adc 进行下一次转换。当运算放大器处于禁用模式时，这可使用一款电阻分压器取代，以节省电源。
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这对 adc 来说已经很好了，但却没有回答如何显著降低运算放大器功耗的问题。那么我们应该如何做呢？
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我选用opa836作为放大器，因其可使用与ads7881相同的电源。使用 +5v 电压供电，我们可在电压保持在输入动态范围内的同时，最大限度降低 adc 及其驱动器功耗。
opa836是一款采用 2x2 毫米 qfn 封装，具有出色压摆功能与线性度的 1ma 运算放大器，是电池供电应用的理想选择。虽然它是一款轨至轨输出 （rro） 器件，但只有在产生少量负电源时，其输出才能摆动至接地。正输出也存在同样的限制，不过在这里没有意义。应注意opa836的产品说明书对最低/最高线性输出电压与饱和输出电压做了明确区分。
对高低电压轨而言，线性工作预留电压空间为 150/250mv，而饱和工作预留电压空间则为 15/43mv。另外，由于opa836的输入不是轨至轨输入 （rri），只含接地，因此电压范围可能只能局限在 -0.2v 至 3.9v 之间。避免这种局限性的合理方法是在增益超过 1v/v 的条件下使用opa836。由于ads7881的最大输入电压范围受 +2.5v 参考电压限制，而我们面临的唯一限制是输出端的负轨，因此单位增益工作完全没有问题。因为opa836是一款高速放大器，因此我们将获得超过 56mhz 的带宽以及超过 100v/ms 的压摆率，可确保带宽与任何信号电平保持恒定。
ads7881的最低有效位 （lsb） 大约是 610mv。opa836最大输入失调电压达 500uv，可充分满足 12 位应用需求。
由于可控制 adc 的时钟速率，因此可在微控制器中生成一个信号来通过适当定时启用/禁用opa836。opa836的 pd 引脚可便捷与ads7881的 busy 引脚、convst 引脚或 nap 引脚同步，将opa836置于禁用模式下。现在要解决的主要问题是放大器的开启时间，以及运算放大器和 adc 之间的滤波器接口强制减速时间常数。
如下图 2 所示，opa836具有关断功能，其开启/关闭速度相当快，可轻松适应高占空比。
图 2：opa836启用/禁用响应
剩下的最大问题是放大器后的滤波器时间常数。
解决这个问题的方法是当放大器处于关断模式时，控制放大器输出端的输出电压，如图 3 所示。
图 3：在禁用模式下保持放大器的共模电压输出
图 4：opa836在输出端保持的中等电压下启用/禁用响应
可以看到，图 2 和图 4 之间唯一的差别是共模不同，放大器仍然有相同的开启/关闭时间常数。当 adc 从采样状态进入保持状态时，放大器的唯一作用是保持适当的共模电压，帮助安排 adc 进行下一次转换。当运算放大器处于禁用模式时，这可使用一款电阻分压器取代，以节省电源。
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