現(xiàn)在，人們已經(jīng)離不開以電池供電的手持設(shè)備了（例如手機(jī)），所以低功耗設(shè)計(jì)成為了重中之重，摩爾定律很偉大，其他一些奇思妙想的創(chuàng)新也很偉大比如多時(shí)鐘和電源域，動(dòng)態(tài)電平以及頻率縮放，功率控制以及多休眠狀態(tài)等。所有這些技術(shù)在數(shù)字設(shè)計(jì)上都非常有效，但對(duì)于模擬領(lǐng)域卻毫無用處。這真令人失望！

這個(gè)世界留下了和頑固的人類一樣頑固的模擬電路。有些設(shè)備如手機(jī)（含有大量的傳感器以及模擬輸出）在確保信號(hào)完整性以及低功耗的條件下處理模擬數(shù)據(jù)方面面臨巨大的挑戰(zhàn)。在模擬電路中要保持線性以及低噪聲通常要求設(shè)備是高增益且耗電大。功耗換取了速度（帶寬）、分辨率（線性度）、低噪聲（SNR）。不過，也有很多嵌入式開發(fā)人員可以采取的設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)低功耗的模擬設(shè)備，對(duì)那些做模擬的和混合信號(hào)設(shè)計(jì)的人來講世界還是有希望的。這里分享四個(gè)要點(diǎn)。

要點(diǎn)一、從一個(gè)公式入手

從下面這個(gè)動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算公式中，我們可以找到幾個(gè)減少功耗的方法：

最大的降幅很明顯是來自降低電壓（VDD）。選擇一個(gè)運(yùn)放（所有的事情都一樣），以最低的工作電壓和一個(gè)軌對(duì)軌的共模輸入范圍。然后電平盡早降到內(nèi)核低壓芯片的水平。再次對(duì)照這個(gè)公式，你也可以減少這個(gè)電路的有效性（a），通常通過一個(gè)門控時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)；通過減少連接的電容和降低時(shí)鐘頻率（f）。很不幸的是，這些解決方案對(duì)數(shù)字電路比模擬電路更有用，因?yàn)檫@里靜態(tài)功耗是主要問題。

功耗、速率、和精度之間的關(guān)系需要權(quán)衡。最小化電源節(jié)省能量，簡化散熱裝置可以延長芯片的使用壽命。高速雖然對(duì)精度和濾波的要求放松，但是卻大大增加了功耗。通常你想要有足夠的速率來適應(yīng)信號(hào)帶寬的要求；你需要足夠的精度來滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍；過高的精度將使濾波放松，但是卻再次以功耗作為代價(jià)。你無法避免這種權(quán)衡，但是有方法來減少他們的影響。一種方法是數(shù)字協(xié)助模擬電路，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度，同時(shí)保持低功耗。例如數(shù)字校準(zhǔn)電路可以分析他們的錯(cuò)誤用逐漸逼近（SAR）的ADC并且在相應(yīng)的情況下做出補(bǔ)償。它還可以補(bǔ)償溫度和電壓漂移敏感的模擬電路。

模擬輸出電路需要補(bǔ)償是由電路不匹配造成。在這里，DAC能夠起到一點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)作用來調(diào)整這種不匹配。這樣的數(shù)字校準(zhǔn)和補(bǔ)償技術(shù)將使模擬達(dá)到這樣的階段,就是不需要大的開環(huán)增益,但卻要求高電流。

要點(diǎn)二、關(guān)注模擬前端

只要符合系統(tǒng)的增益、帶寬、和轉(zhuǎn)換速率要求，最好使用單級(jí)模擬前端(AFE)，用一個(gè)軌到軌共模AB級(jí)運(yùn)放代替A級(jí)運(yùn)放，可以有小的電流偏移，那樣可以消耗更少的靜態(tài)電流。

不過在這樣做的時(shí)候要小心,當(dāng)你保留一個(gè)可接受的帶寬和轉(zhuǎn)換速率，你仍然可以提供足夠的增益和輸出功率，使增益最大化。

如果可以的話，設(shè)計(jì)一個(gè)電壓模式反饋電路圖a，對(duì)照?qǐng)Db電流模式反饋電路。電壓模式驅(qū)動(dòng)通常消耗了電流模式一半的功耗。在交流耦合系統(tǒng),如PCI Express,SATA,XAUI這一數(shù)字下降到25%。盡快的使信號(hào)數(shù)字化吧。你可以經(jīng)常使用數(shù)字濾波來補(bǔ)償微弱的模擬信號(hào)，它們離噪聲層太近了。

在數(shù)字電路中休眠模式非常有助于節(jié)省功耗，但是在模擬電路中必須謹(jǐn)慎使用。因?yàn)殪o態(tài)漏電流特別是當(dāng)線寬很小的情況下，在休眠模式下，電源開關(guān)用來為不同的電壓區(qū)控制電源的開和關(guān)。這在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中將導(dǎo)致電平調(diào)擋的問題。為避免這樣，一個(gè)電源管理芯片(PMIC)可以將控制信號(hào)預(yù)設(shè)為IDDQ狀態(tài)來防止模擬電路的電流泄漏。

要點(diǎn)三、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的選擇

模擬前端放大器將底層的傳感器數(shù)據(jù)放大，然后將它提供給一個(gè)ADC。ADC的選擇對(duì)一個(gè)應(yīng)用的功耗有很大影響。它還還影響前級(jí)運(yùn)放的選擇。高精度的sigma-delta ADC在低頻應(yīng)用中非常普遍。但是為了節(jié)省電力和晶圓尺寸,越簡單越好。在逐漸逼近（SDR）的ADC，不要求高增益高功耗的精密放大器。所以靜態(tài)功耗可以實(shí)現(xiàn)最小化。

使用SAR ADC替換快速流水線ADC完成的結(jié)果是一樣的（雖然會(huì)慢很多），因?yàn)樗挥幸患?jí)比較器而后者有多級(jí)比較器。下面的圖2顯示了兩個(gè)模擬設(shè)備，2通道的ADC，一個(gè)是AD7911 SAR ADC，另一個(gè)是AD9643流水線ADC。流水線的那種在250MSPS時(shí)消耗了750mW.而SAR那種版本在250ksps時(shí)消耗了4mW.如果不需要高精度和高采樣率，那么就選擇一個(gè)SAR ADC。

圖2：左邊一個(gè)AD7911 SAR，右邊一個(gè)AD9643流水線ADC

要點(diǎn)四、深挖電源潛力

首先,混合信號(hào)電路必須有獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地以防止噪聲從數(shù)字組件進(jìn)入模擬系統(tǒng)。同理，所有的數(shù)字輸出布線時(shí)應(yīng)該遠(yuǎn)離模擬輸入。

地平面看似很簡單的概念，但是很多不同的電流通常在一個(gè)地平面流通。ADC需要一個(gè)模擬地，該模擬地不能和數(shù)字地共地，最好在PCB另起一個(gè)地層。兩個(gè)地平面只需要一個(gè)點(diǎn)連接在一起，如果可以，就在ADC的數(shù)字輸出的GND管腳上。所有的旁路電容、參考電容、和濾波電容以及ADC的地必須連到模擬地平面（盡可能的靠近），并且旁路電容接到電源管腳盡快的將AC電流到分流到地。

甚至電池供電的設(shè)備也可以要一個(gè)或多個(gè)開關(guān)控制器。這樣他們的輸出可以反饋到線性調(diào)節(jié)器，它們有時(shí)可以有時(shí)不能濾除所有殘余的紋波和峰峰值，就像是施了魔咒給模擬芯片，特別是工作在低壓的模擬芯片。好的布局以及大量使用旁路電容和鐵氧體磁體對(duì)解決這個(gè)問題大有幫助。

低功耗模擬是可以實(shí)現(xiàn)的

通過遵守一些簡單的設(shè)計(jì)原則以及一些并不簡單的數(shù)字方法，低功耗模擬設(shè)計(jì)是絕對(duì)是可以實(shí)現(xiàn)的。

半導(dǎo)體公司如Microchip、Freescale和Silicon Labs等通過在他們的的MCU中集成越來越多的模擬元件提升門檻，實(shí)現(xiàn)本文提及的數(shù)字輔助功能（所以可以叫做“智能模擬”“smart analog”）。由于越來越多涉及混合信號(hào)處理的新器件上市，嵌入式開發(fā)員如果能深入研究低功耗設(shè)計(jì)方法，將來一定會(huì)有豐厚的回報(bào)。