如何在高精度测量中节省功耗

本应用笔记介绍了具有低功耗仪表放大器（INA）结构的逐次逼近寄存器模数转换器（SAR ADC），该结构取代应变片检测电路中的Δ-ΣADC，作为模拟前端。这不仅有助于实现更好的分辨率，而且可以节省电池电量并降低成本。

介绍

在精密信号调理和测量应用中，Δ-Σ型ADC通常优于SAR ADC，因为它具有高分辨率输出和高度集成的内部模块，如可编程增益放大器（PGA）或通用输入输出（GPIO）基准电压源。然而，在某些情况下，三角积分ADC的高分辨率是不需要或无法实现的，其高功耗成为一个缺点。

让我们以应变片传感器为例，它可用于惠斯通电桥，将目标信号（压力、负载、力等）转换为几毫伏范围内的差分电桥输出电压。在这种情况下，将需要具有大增益的放大器作为模拟前端（AFE）。例如，要将具有10mV满量程输出的应变片传感器连接到具有2.5V满量程电压的Δ-Σ型ADC，需要将PGA配置为具有250增益。这种高增益PGA给AFE增加了显著的噪声，将24位Δ-Σ ADC的有效分辨率降低到12位。除了降低分辨率外，固定的高过采样率决定了Δ-Σ型ADC的电流消耗，而Δ-Σ ADC的电流消耗可能相当高，并导致电池寿命显著缩短。由于内部电路的复杂性，Δ-Σ型ADC也承担了大量成本。

这种方法的替代方案是SAR ADC与高增益INA相结合，可以消耗更少的功率，具有相似的分辨率，同时降低解决方案成本。每个SAR ADC都实现了两相跟踪和转换结构。在跟踪（数据采集）阶段，SAR ADC消耗的功耗非常低，大部分功耗发生在转换阶段。这使得SAR ADC的功耗随采样速率而缩小。在应变片检测电路中，数据采集速率可低至1000sps。在如此低的采样速率下，一些SAR ADC消耗纳瓦的功率。与集成PGA的Δ-Σ型ADC相比，与集成PGA的Δ-Σ型ADC相比，SAR ADC与低功耗INA一起可节省50%以上的功耗。与Δ-Σ型ADC一样，SAR ADC的性能受到INA的限制。凭借现代高性能、低噪声INA，SAR ADC能够以有效的14至16位分辨率测量应变片检测信号，其性能与24位Δ-Σ型ADC相似甚至更好。

总之，SAR ADC+INA结构是电池供电应变传感器AFE的更好选择，因为它具有相似的精度，降低了功耗和成本。在由电池供电的应用中，功耗始终是一个关键问题，系统设计工程师应考虑使用低功耗、低噪声、高精度INA和SAR ADC，而不是传统的Δ-Σ型ADC。

电路详细说明

SAR ADC+INA的结构如图1所示。惠斯通电阻电桥用于表示应变片检测电路;RC滤波器放置在INA和SAR ADC之间。INA的差分输入可以连接以直接桥接输出。SAR ADC输入应为单端或差分输入，负输入接地。

正如我们已经讨论过的，INA的噪声性能限制了SAR ADC的有效分辨率。例如，对于噪声密度为100nV/和带宽为3kHz的INA，INA输入端的总带宽噪声为5.48μV有效值.当INA配置为3VADC输入范围的增益为100时，信噪比（SNR）为65.7dB。如果我们选择噪声密度为的INA 40nV/ ，信噪比为73.5dB。因此，40nV左右的噪声密度。

足以实现11至12位分辨率。

为了节省更多功率，请注意INA和SAR ADC。对于INA，低静态电流很重要。需要静态电流低于 100μA 的 INA。正如我们已经讨论过的，SAR ADC在较慢的采样速率下消耗更少的功率。有许多SAR ADC具有此功能。我们的目标是使用电源电流范围为10μA（包括AVDD和OVDD）的SAR ADC。因此，SAR ADC+INA的总电流消耗约为110μA。相比之下，目前市场上所有采用PGAS的Δ-Σ型ADC消耗的电流都超过300μA。

根据我们为此应用程序列出的要求找到合适的 INA 听起来很容易，但是，当您进行研究时，您会发现选择很少。功耗是瓶颈。由于噪声性能相似，大多数INA在1mA范围内消耗电流。

噪声密度，PGA增益为100，功耗仅为65μA，可以构建这样的电路。MAX41400的另一个特点是其可编程增益，在整个温度范围内保证增益误差。传统的INA通常使用单个外部电阻和两个内部电阻来设置增益。虽然用户可以使用不同值的外部电阻来调节增益，但外部元件总是会增加额外的增益误差和增益漂移。使用内部电阻可提供最佳的精度和温度范围内的增益漂移。MAX41400在所有增益选项中的增益误差低至0.05%，温度漂移为5ppm/°C。它还提供多达 8 种不同的增益设置，并且可以即时更改。

图1.SAR ADC+INA结构。

从工作台测量

如前所述，SAR ADC+INA非常适合采用纽扣电池的应变片检测应用，如自行车功率计。应变片传感器安装在曲柄臂上以测量其扭矩。现有解决方案使用具有内部128 PGA增益的24位Δ-Σ ADC。总有效分辨率为12位，功耗为305μA。我们用SAR+MAX41400组合取代了Δ-Σ型ADC，作为AFE。在工作台上进行并完成实验以比较性能。

我们使用3.2V锂离子电池作为电源，为MAX41400、SAR ADC、基准电压源和微控制器供电。我们使用信号发生器提供差分信号来表示应变传感器输出信号。微控制器向SAR ADC发送命令以启动转换，以1000sps的采样率从SAR ADC收集数据。表 1 中列出了每个部分的功耗。

 

采样率	100SPS	200SPS	500SPS	1000SPS	1200SPS
MAX41400	71μA	71μA	71μA	71μA	71μA
合成孔径雷达	2.1μA	2.1μA	4.7μA	8.2μA	9.6μA
电压基准	0.05μA	0.1μA	0.2μA	0.35μA	0.35μA
总电流	73.15μA	73.8μA	75.9μA	79.55μA	80.95μA
总功率	234μW	236μW	20014	255μW	21:14
注意：总功耗基于3.2V电压计算。

 

交流性能通过11Hz正弦波测试，幅度为27mV，MAX41400 PGA增益配置为100。ENOB 以不同的采样率计算。

 

采样率	100SPS	200SPS	500SPS	1000SPS	1200SPS
ENOB	11.43位	11.45位	11.78位	11.77位	11.69位
注意：ENOB 是有效位数。

 

我们测试了两种分辨率不同的SAR ADC，并在表3中总结了所有三种解决方案。比较电流消耗和有效分辨率。与Δ-Σ型ADC相比，带有SAR ADC的MAX41400可以实现更有效的分辨率，并且具有更低的电流消耗。

 

参数	Δ-Σ ADC	MAX41400 + SAR1	MAX41400 + SAR2
分辨率	24位	18位	14位
电流消耗 （@ 1Ksps）	303uA	79.55微安	188uA
有效分辨率 （@1Ksps）	12.3位 （G=128V/V）	16.12位 （G=100V/V）	13.08位 （G=100V/V）

 

结论

Δ-Σ型ADC以精密测量而闻名;然而，高增益PGA通常会限制其性能。INA与SAR ADC相结合，在功耗至关重要的情况下是更好的选择。选择正确的INA时需要小心。MAX41400具有低功耗、低噪声和可编程增益，非常适合前端检测。

审核编辑：郭婷