设计目标

设计说明

此设计展示了一款用于驱动 SAR ADC 且在运行期间仅消耗纳瓦级功率的低功耗放大器。此设计适用于收集传感器数据的系统，这类系统需要功耗仅为几 μW 的低功耗信号链。PIR 传感器、气体传感器 和血糖监测仪 是受益于此 SAR ADC 设计的功耗敏感型系统的几个例子。您可以调整元件选择部分的值，以允许不同的数据吞吐率和不同带宽的放大器。低功耗传感器测量：3.3V、1ksps、12 位、单端、单电源电路 中显示了该电路的简化版本，这一版本中将负电源接地。本示例中的 –0.3V 负电源用于实现尽可能最佳的线性输入信号范围。有关低功耗 SAR 设计中权衡因素的详细说明，请参阅 SAR ADC 功率调节。

设计说明

1. 根据共模、输出摆幅和线性开环增益规格，确定运算放大器的线性范围。“元件选择”部分中介绍了该内容。
2. 选择适合 Cfilt 的 COG (NPO) 电容器以更大限度减少失真。
3. TI 精密实验室 - ADC 培训视频系列介绍了选择电荷桶电路 Rfilt 和 Cfilt 的方法（请参阅 SAR ADC 前端元件选择简介）。此类元件值取决于放大器带宽、数据转换器采样速率以及数据转换器设计。此处所示的规格值可为该示例中的放大器和数据转换器提供良好的趋稳和交流性能。如果修改了设计，则需要选择其他 RC 滤波器。

元件选型

1. 选择低功耗运算放大器：
   • 电源电流 < 0.5µA
   • 增益带宽积 > 5kHz（采样速率的 5 倍）
   • 单位增益稳定
   • LPV811 – 450nA 电源电流，8kHz 增益带宽积，单位增益稳定
2. 查找运算放大器线性运行的最大和最小输出：
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+0\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-0.9\mathrm{V} \mathrm{from} \mathrm{LPV}811 {\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}} \mathrm{specification}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+10\mathrm{mV}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-10\mathrm{mV} \mathrm{from} \mathrm{LPV}811 \mathrm{Vout} \mathrm{swing} \mathrm{specification}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+0.3\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-0.3\mathrm{V} \mathrm{from} \mathrm{LPV}811 \mathrm{Aol} \mathrm{linear} \mathrm{region} \mathrm{specification}$
3. 采用预期值进行典型功率计算 (1ksps)。有关低功耗 SAR 设计中权衡因素的详细说明，请参阅 SAR ADC 功率调节：
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{AVDD\_AVG}}\times \mathrm{AVDD}=230\mathrm{nA}\times 3.3\mathrm{V}=759\mathrm{nW}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LPV}811}\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}})=450\mathrm{nA}\times [4.5\mathrm{V}-(-0.3\mathrm{V}\left)\right]=2.16\mathrm{\mu W}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}=759\mathrm{nW}+2.16\mathrm{\mu W}=2.919\mathrm{\mu W}$
4. 采用测量值进行典型功率计算 (1ksps)：
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{AVDD\_AVG}}\times \mathrm{AVDD}=214.8\mathrm{nA}\times 3.3\mathrm{V}=708.8\mathrm{nW}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LPV}811}\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}})=431.6\mathrm{nA}\times [4.5\mathrm{V}-(-0.3\mathrm{V}\left)\right]=2.071\mathrm{\mu W}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}=708.8\mathrm{nW}+2.071\mathrm{\mu W}=2.780\mathrm{\mu W}$
5. 查找可在 1ksps 实现趋稳的 Rfilt 和 Cfilt。请参阅优化 Rfilt 和 Cfilt 值（精密实验室 视频）了解选择 Rfilt 和 Cfilt 的算法。经证实，200kΩ 和 510pF 的最终值可确保趋稳至远低于最低有效位 (LSB) ½ 的位置。

交流传输特性

带宽仿真包括放大器输出阻抗和 RC 电荷桶电路（R_filt 和 C_filt）的影响。RC 电路的带宽如以下公式所示为 1.56kHz。2kHz 的仿真带宽包括输出阻抗与负载阻抗相互作用的影响。请参阅 TI 精密实验室 - 运算放大器：带宽 1，了解有关此主题的更多详细信息。

噪声仿真

本部分概要介绍如何使用简化的噪声计算方法进行粗略估算。我们在此计算中忽略电阻器噪声，因为在频率大于 10kHz 的情况下此噪声会衰减。

请注意，计算值与仿真值之间匹配良好。请参阅计算 ADC 系统的总噪声 了解有关此主题的详细理论。

设计中采用的器件

主要文件链接 (TINA)

德州仪器 (TI)，SBAM342 电路设计文件