延長ADC使用壽命的節能技術

增加動態范圍，減少增益級

考慮是采用SAR ADC還是采用ΔΣ ADC時，查看一下整個信號鏈的功耗很有用。信號鏈可能包含一個可編程增益放大器(PGA)。許多SAR ADC會放大或者衰減輸入信號，以確保信號占據ADC最大輸入范圍的相當大部分。該幅度可以采用內部PGA或者通過指定使用外部PGA進行調整。

例如，測量由惠斯登電橋傳感器提供電源的20mV信號的設計可能會在電橋與ADC之間包含一個100的增益級。(ADC通常提供0至3V或者0至5V的輸入范圍。)假定一個采用3.0V電壓參考偏置的12位ADC，其最低有效位(LSB)為0.73mV。無增益時，ADC在20mV信號中(20mV/0.73mV)只能得到27位LSB。增加一個100V/V的增益級后，ADC可以在相同的信號中得到2740位LSB。

高分辨率、高性能ΔΣ ADC的成本已經下降到足以使其成為SAR ADC加PGA的價格合理的替代方案。采用具有低噪聲和最終的高有效分辨率的ΔΣ ADC時，可以一并去除PGA及其功耗。

許多ΔΣ ADC與傳感器直接連接，同時提供與SAR ADC加PGA方案相同的輸入信號粒度(分辨率)。ΔΣ ADC的低噪聲電平(1V以下)可以實現這種性能。由ADC的輸入范圍和內部噪聲電平確定的有效分辨率在基本上為直流的條件下捕獲ADC噪聲，這樣量化噪聲就不會構成問題：

有效分辨率 = log2 (電壓輸入范圍/電壓噪聲)
= log2 (20 mV/210 nV)

= 16.5位

采用同樣的20mV電橋信號和上述ADC(噪聲電平為210nVRMS)時，可能實現16.5位的有效分辨率。計算出有效分辨率之后，設計人員可以從中推斷出最終的無噪聲分辨率(有效分辨率：2.7位)和最終的無噪聲計數。無噪聲計數定義為在沒有噪聲干擾的情況下ADC可實現的讀數個數。例如，具有12.0位無噪聲分辨率的ADC(理想的12位ADC)可以提供4096個無噪聲計數。上個示例中的無噪聲計數為：

無噪聲計數(LSBs) = 2NFR

= 2(16.5 – 2.7)

= 213.8

= 14,263 LSBs

因此，與較低分辨率的SAR ADC加PGA方案對比時，具有低噪聲的ΔΣ ADC可以提供更高的有效分辨率、更高的無噪聲分辨率和更多的無噪聲計數。表2對理想的12位ADC加PGA與低噪聲ΔΣ ADC的規格進行了對比。ΔΣ ADC不僅可以實現更多的無噪聲計數和更高的分辨率，還可以實現較低的功率預算。主要折衷因素一般是ΔΣ ADC的最高采樣率比較低。

總而言之，對低功耗的需求已經催生出諸多降低總系統功耗的新技術：不同的ADC架構、突發模式處理、SAR ADC以較低采樣率工作以及降低電源電壓。雖然這些技術同時也引入了各種折衷因素，但是它們可以提供更長的電池使用壽命，或者可能允許使用更高性能的ADC，同時能夠滿足4至20mA電流回路的功率預算。