单端、单电源低功耗传感器测量电路设计

1 简介

        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。此设计用于采集传感器数据，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 设计可能实现的几个例子。可以通过调整组件选择 部分的值以允许不同的数据吞吐率和不同带宽的放大器。

2 设计目标

2.1 运放输入

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2.2 ADC输入

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2.3 数字输出

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2.4 电源

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3 规格

规格	计算值	仿真值	测得值
瞬态 ADC 输入趋稳 (1ksps)	< 0.5·LSB = 402µV	41.6µV	/
AVDD 电源电流 (1ksps)	230nA	/	214.8nA
AVDD 电源功率 (1ksps)	759nW	/	709nW
VDD OPAMP 电源电流	450nA	/	431.6nA
VDD OPAMP 电源功率	2.025µW	/	1.942µW
AVDD + VDD 系统功率 (1ksps)	2.784µW	/	2.651µW

• 选择 COG 电容器以最大限度减少失真
• 使用 0.1% 20ppm/°C 或更高规格的薄膜电阻器以最大限度减少失真

 4 设计计算

• 选择低功耗运算放大器：

1. 电源电流 < 0.5uA
2. 增益带宽积 > 5kHz（采样速率的5倍）
3. 单位增益稳定
4. 选择LPV811(450nA 电源电流、8kHz 增益带宽积并具有单位增益稳定性)

• 根据LPV811指标计算运算放大器线性运行的最大和最小输出

       共模电压规格：

       输出电压规格：

       开环增益线性区域规格：

       放大器线性运行的最大和最小输出：

• 采用预期值进行典型功率计算 (1ksps)：

        

        

        

• 采用测量值进行典型功率计算 (1ksps)：

       

       

        

• 可在 1ksps 实现趋稳的 Rfilt 和 Cfilt，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，具体可参考SAR ADC驱动设计注意事项_sar型adc时间常数-优快云博客

5 电路仿真

时域仿真：

频域仿真：

噪声仿真：

        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。