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超低功耗放大器。此设计用于收集传感器数据，整体系统级功耗仅有区区数微瓦。PIR 传感器、气体传感器 和血糖监测仪 是此 SAR ADC 设计的几个可能实现例子。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、双电源电路 中显示了该电路的更复杂版本，这一版本中将负电源连接到小型负电压 (–0.3V)。当放大器输出接近零伏特时，单电源版本的性能会降低。但是，在大多数情况下，单电源配置因其简单性而成为优选方案。

规格

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 COG 电容器以更大限度减少失真。
3. 使用 0.1% 20ppm/°C 或更高规格的薄膜电阻器以更大限度减少失真。
4. TI 高精度实验室 - ADC 培训视频系列介绍了选择电荷桶电路 Rfilt 和 Cfilt 的方法。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稳定和交流性能。如果改动此设计，则需要选择其他的 RC 滤波器。请参阅 SAR ADC 前端元件选择简介 培训视频，了解如何选择 RC 滤波器以实现出色的稳定和交流性能。

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
   • 本指导手册中选择的是 LPV811。该器件具有 450nA 电源电流、8kHz 增益带宽积并具有单位增益稳定性。
2. 查找运算放大器线性运行的最大和最小输出
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+0\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-0.9\mathrm{V} \text{from LPV811 Vcm specification}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+10\mathrm{mV}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-10\mathrm{mV} \text{from LPV811 Vout swing specification}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+0.3\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-0.3\mathrm{V} \text{from LPV811 Aol linear region specification}$
   $0.3\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{in}}<3.4\mathrm{V} \text{Combined worst case}$
   注： LPV811 的线性范围是地电平以上 300mV。这意味着，若要设计一个系统来建立 0V 至 3.3V（ADS7042 的满标量程范围 (FSR)）的完整线性范围，则需要使用负电源。此设计表明，在不使用负电源电压的情况下即可满足 ADS7042 的 SNR 和 THD 全程规格。此测试仅在室温下进行，并且需要更稳健的系统；低功耗传感器测量：3.3V、1ksps、12 位、单端、双电源电路 中显示了在此设计中采用负电源代替接地的情况。
3. 采用预期值进行典型功率计算 (1ksps)：
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{AVDD\_Avg}}\times \mathrm{AVDD}=230\mathrm{nA}\times 3.3\mathrm{V}=759\mathrm{nW}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LPV}811}\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}})=450\mathrm{nA}\times (4.5\mathrm{V}-0\mathrm{V})=2.025\mathrm{\mu W}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}=759\mathrm{nW}+2.025\mathrm{\mu W}=2.794\mathrm{\mu W}$
4. 采用测量值进行典型功率计算 (1ksps)：
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{AVDD\_Avg}}\times \mathrm{AVDD}=214\mathrm{nA}\times 3.3\mathrm{V}=709\mathrm{nW}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LPV}811}\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}})=431.6\mathrm{nA}\times (4.5\mathrm{V}-0\mathrm{V})=1.942\mathrm{\mu W}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}=709\mathrm{nW}+1.942\mathrm{\mu W}=2.651\mathrm{\mu W}$
5. 查找可在 1ksps 实现趋稳的 Rfilt 和 Cfilt。优化 Rfilt 和 Cfilt 值（高精度实验室 视频），其中介绍了选择 Rfilt 和 Cfilt 的算法。经证实，200kΩ 和 510pF 的最终值可确保稳定至远低于最低有效位 (LSB) ½ 的位置。

直流传输特性

下图展示了 0V 至 3.3V 输入的线性输出响应。该 ADC 的 FSR 落在运算放大器的线性范围内。

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 视频库 - 运算放大器：带宽 1，了解有关此主题的更多详细信息。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了趋稳至 3V 直流输入信号的情况。这种类型的仿真表明采样保持反冲电路已正确选择到 ½ LSB (402µV) 范围内。请参阅 SAR ADC 前端元件选择简介，了解有关此主题的详细理论。

噪声仿真

本部分详细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。

注意，计算结果与仿真结果匹配良好。请参阅计算 ADC 系统的总噪声 了解有关此主题的详细理论。

测量 FET

该性能是在 ADS7042EVM-PDK 的修改版本上测得的。交流性能显示 SNR = 70.8dB、THD = –82.7dB 且 ENOB（有效位数）= 11.43，这与该 ADC 的额定性能 (SNR = 70dB) 非常匹配。

设计中采用的器件

主要文件链接

德州仪器 (TI)，LPV811 TINA 文件，软件下载