简要介绍低功耗模拟设计四大要点分析

现在，人们已经离不开以电池供电的手持设备了（例如手机），所以低功耗设计成为了重中之重，摩尔定律很伟大，其他一些奇思妙想的创新也很伟大比如多时钟和电源域，动态电平以及频率缩放，功率控制以及多休眠状态等。所有这些技术在数字设计上都非常有效，但对于模拟领域却毫无用处。这真令人失望！

这个世界留下了和顽固的人类一样顽固的模拟电路。有些设备如手机（含有大量的传感器以及模拟输出）在确保信号完整性以及低功耗的条件下处理模拟数据方面面临巨大的挑战。在模拟电路中要保持线性以及低噪声通常要求设备是高增益且耗电大。功耗换取了速度（带宽）、分辨率（线性度）、低噪声（SNR）。不过，也有很多嵌入式开发人员可以采取的设计方法，可以实现低功耗的模拟设备，对那些做模拟的和混合信号设计的人来讲世界还是有希望的。这里分享四个要点。

要点一、从一个公式入手

从下面这个动态功耗的计算公式中，我们可以找到几个减少功耗的方法：

最大的降幅很明显是来自降低电压（VDD）。选择一个运放（所有的事情都一样），以最低的工作电压和一个轨对轨的共模输入范围。然后电平尽早降到内核低压芯片的水平。再次对照这个公式，你也可以减少这个电路的有效性（a），通常通过一个门控时钟来实现；通过减少连接的电容和降低时钟频率（f）。很不幸的是，这些解决方案对数字电路比模拟电路更有用，因为这里静态功耗是主要问题。

功耗、速率、和精度之间的关系需要权衡。最小化电源节省能量，简化散热装置可以延长芯片的使用寿命。高速虽然对精度和滤波的要求放松，但是却大大增加了功耗。通常你想要有足够的速率来适应信号带宽的要求；你需要足够的精度来满足系统动态范围；过高的精度将使滤波放松，但是却再次以功耗作为代价。你无法避免这种权衡，但是有方法来减少他们的影响。一种方法是数字协助模拟电路，能够实现高精度，同时保持低功耗。例如数字校准电路可以分析他们的错误用逐渐逼近（SAR）的ADC并且在相应的情况下做出补偿。它还可以补偿温度和电压漂移敏感的模拟电路。

模拟输出电路需要补偿是由电路不匹配造成。在这里，DAC能够起到一点电压调节作用来调整这种不匹配。这样的数字校准和补偿技术将使模拟达到这样的阶段,就是不需要大的开环增益,但却要求高电流。

要点二、关注模拟前端

只要符合系统的增益、带宽、和转换速率要求，最好使用单级模拟前端(AFE)，用一个轨到轨共模AB级运放代替A级运放，可以有小的电流偏移，那样可以消耗更少的静态电流。

不过在这样做的时候要小心,当你保留一个可接受的带宽和转换速率，你仍然可以提供足够的增益和输出功率，使增益最大化。

如果可以的话，设计一个电压模式反馈电路图a，对照图b电流模式反馈电路。电压模式驱动通常消耗了电流模式一半的功耗。在交流耦合系统,如PCI Express,SATA,XAUI这一数字下降到25%。尽快的使信号数字化吧。你可以经常使用数字滤波来补偿微弱的模拟信号，它们离噪声层太近了。

在数字电路中休眠模式非常有助于节省功耗，但是在模拟电路中必须谨慎使用。因为静态漏电流特别是当线宽很小的情况下，在休眠模式下，电源开关用来为不同的电压区控制电源的开和关。这在混合信号设计中将导致电平调挡的问题。为避免这样，一个电源管理芯片(PMIC)可以将控制信号预设为IDDQ状态来防止模拟电路的电流泄漏。

要点三、数据转换器的选择

模拟前端放大器将底层的传感器数据放大，然后将它提供给一个ADC。ADC的选择对一个应用的功耗有很大影响。它还还影响前级运放的选择。高精度的sigma-delta ADC在低频应用中非常普遍。但是为了节省电力和晶圆尺寸,越简单越好。在逐渐逼近（SDR）的ADC，不要求高增益高功耗的精密放大器。所以静态功耗可以实现最小化。

使用SAR ADC替换快速流水线ADC完成的结果是一样的（虽然会慢很多），因为它只有一级比较器而后者有多级比较器。下面的图2显示了两个模拟设备，2通道的ADC，一个是AD7911 SAR ADC，另一个是AD9643流水线ADC。流水线的那种在250MSPS时消耗了750mW.而SAR那种版本在250ksps时消耗了4mW.如果不需要高精度和高采样率，那么就选择一个SAR ADC。

图2：左边一个AD7911 SAR，右边一个AD9643流水线ADC

要点四、深挖电源潜力

首先,混合信号电路必须有独立的模拟地和数字地以防止噪声从数字组件进入模拟系统。同理，所有的数字输出布线时应该远离模拟输入。

地平面看似很简单的概念，但是很多不同的电流通常在一个地平面流通。ADC需要一个模拟地，该模拟地不能和数字地共地，最好在PCB另起一个地层。两个地平面只需要一个点连接在一起，如果可以，就在ADC的数字输出的GND管脚上。所有的旁路电容、参考电容、和滤波电容以及ADC的地必须连到模拟地平面（尽可能的靠近），并且旁路电容接到电源管脚尽快的将AC电流到分流到地。

甚至电池供电的设备也可以要一个或多个开关控制器。这样他们的输出可以反馈到线性调节器，它们有时可以有时不能滤除所有残余的纹波和峰峰值，就像是施了魔咒给模拟芯片，特别是工作在低压的模拟芯片。好的布局以及大量使用旁路电容和铁氧体磁体对解决这个问题大有帮助。

低功耗模拟是可以实现的

通过遵守一些简单的设计原则以及一些并不简单的数字方法，低功耗模拟设计是绝对是可以实现的。

半导体公司如Microchip、Freescale和Silicon Labs等通过在他们的的MCU中集成越来越多的模拟元件提升门槛，实现本文提及的数字辅助功能（所以可以叫做“智能模拟”“smart analog”）。由于越来越多涉及混合信号处理的新器件上市，嵌入式开发员如果能深入研究低功耗设计方法，将来一定会有丰厚的回报。