如何最大限度地降低 ADC 功耗？

长期以来，将功耗降至最低一直是许多设计的主要目标。原因从显而易见的电池供电电路和绿色系统，到可能不那么明显的电源最小化和成本降低。大多数设计人员只是寻找具有最低功耗规格的产品。虽然较低的时钟频率通常意味着较低的功耗，但使用突发模式操作可以进一步降低功耗。本文介绍了使用突发模式操作来最小化 ADC(模数转换器)的平均功耗。

所有 ADC 都有可以正常运行的最小和最大时钟速率。虽然它们通常以给定的采样率指定，但时钟速率实际上是操作限制。如果时钟频率太快，内部节点的不充分建立将导致性能不佳。如果时钟频率太慢，内部泄漏将导致内部电容上的电荷部分耗尽，从而导致转换过程中的电荷不足，再次导致性能下降。

获得低于所选 ADC 指定采样率的一种方法是抽取其输出。也就是说，仅使用每个“第 n 个”样本，而忽略使用的两个连续样本之间的其他样本。这可以通过任何 ADC 完成，无论技术或架构如何。

例如，应用程序的要求可能需要一个 12 位 ADC，在 3V 电源下以 10k 样本/秒的速度运行。您可能会选择 ADC121S021。该器件是一款具有 SPI(串行外设接口)的 12 位、低功耗 ADC，指定在 2.7V 至 5.5V 的电源范围和 50k 样本/秒至 200k 样本/秒的采样率范围内运行.

尽管该器件的最低指定采样率为 50k 样本/秒，但我们可以以 1 MHz 时钟速率运行它，这对应于该器件的最低指定 50k 样本/秒，然后将输出抽取 5，使用每个第五个样品。该部分将基本上持续加电，并且功耗将与所使用的时钟速率相同。在这种情况下，该器件的时钟频率为 1 MHz，而在 3V 电源下，它通常仅消耗 1.5 mW。

许多 ADC 在取消选择时进入断电模式，例如当 CS(芯片选择)引脚被取消断言时。以最大时钟速率运行 ADC 并在转换之间关闭设备可以最大限度地降低平均功耗。这是突发模式操作，如图 1 所示。突发模式操作降低了平均功耗。峰值功耗仍然是为设备指定的有功功率。

要确定平均功耗，请将工作或活动功耗乘以活动模式下的时间百分比，并将其加上掉电模式下的功耗乘以掉电时间百分比的乘积模式：(Active Power x % active) + (PD Power x % PD) 其中 PD 表示“断电”。

在突发模式下运行大多数 ADC 将显着降低功耗。突发模式操作的唯一要求是 ADC 具有断电模式，这对于当今可用的大多数转换器都是如此。如果在完成转换之前退出掉电模式后没有延迟，并且如果不需要虚拟转换以便最小化活动时间(活动模式下的时间)，那将是一个很大的优势。虚拟转换是用于在上电后或退出断电模式后清除部件的转换。任何虚拟转换的结果都是垃圾，不能使用。

尽管如此，当您将其 CS 引脚拉低并且不需要任何虚拟转换时，只要发出进入活动模式的命令，就有许多部件可以正常工作。以 1 MHz 的最小时钟速率使用这部分，但使用突发模式操作而不是抽取输出，ADC 将在 16% 的时间处于其活动模式，在 84% 的时间处于断电状态。IC 的有功功耗为 1.5 mW，掉电模式下的功耗为 0.315 mW，因此平均功耗仅为 (1.5 x 16%) + (0.315 x 84%) = 0.505 mW = 505 µW。这显然比持续处于活动模式下的功耗要低得多，但仍有改进的余地。

以 4 MHz 的最大时钟速率(对应于其最大规定的 200k 样本/秒)运行该器件意味着 ADC 将只有 4% 的时间处于其活动模式，而在突发模式下，ADC 将在 96% 的时间处于断电状态运行时，平均功耗为 (1.5 x 4%) + (0.315 x 96%) = 0.362 mW = 362 µW。与简单地以所需的采样率运行相比，以最大时钟速率运行 ADC 并在转换之间将其置于省电模式可提供极低的功耗。

如果突发模式操作在较高的时钟速率下提供最低的功耗，那么在给定的采样率下，使用更高速度的设备似乎会导致更低的平均功耗。这确实是真的。尽管对于速度更快的设备而言，活动模式下的功耗通常较高，但转换器处于断电模式的时间要长得多，从而导致平均功耗较低。

您可以将之前的 ADC 替换为 1M 样本/秒的 ADC，例如 ADC121S101。它是一个引脚和功能替代品，在 20 MHz 时的 3V 功耗为 2 mW，在掉电模式下为 0.2 mW。这将进一步降低平均功耗。在这种情况下，它将仅在 0.8% 的时间内处于活动状态，在 99.2% 的时间内处于断电状态，从而将平均功耗降低到仅 (2.0 x0.8%) + (0.2 x 99.2%) = 0.214 mW = 214 微瓦。这仅比器件在断电模式下消耗的 200 µW 功率略高。

说明了这些条件下的功率水平与时间的关系。在该图中，我们可以看到长时间空闲时间之间的短暂功率爆发。显示了使用 3V 和 5V 电源的突发模式下较快部分的平均功耗与采样率的关系图。我们不仅看到了突发模式操作的优势，而且还看到了使用突发模式操作的直观明显优势在可行的情况下提供低电源电压。在极低转换率下的突发模式操作可以提供极低的平均功耗，非常接近掉电模式下的功耗。

尽管当今几乎所有 ADC 都可以进行突发模式操作，但请务必注意 ADC 数据手册并注意器件进入断电模式的条件。对于许多 ADC，将设备置于其断电模式需要的不仅仅是在与 ADC 时钟相关的特定时间范围内取消选择设备。

重要的是要注意，虽然许多 ADC 是在一个采样率范围内指定的，但这些指定的采样率实际上与这些 ADC 将按照规范运行的时钟速率范围有关。如果这些产品支持突发模式操作，这些产品实现的采样率实际上可以接近于零，这导致 ADC 的平均功耗接近器件在掉电模式下的功耗。

很明显，在断电模式下选择功耗最低的 ADC 可能比在活动模式下选择功耗最低的 ADC 更重要。为了绝对最小化功耗，需要考虑每种模式下的时间并计算平均功耗。