便携式电子设备的重要指标之一就是低功耗，而低功耗是国际上节能和绿色环保的要求，实际上节能是全球化的热潮。现在强调绿色环保便携式的产品越来越多，低功耗是现代电子设备的典型特征。对于便携式电子设备，电路中所采用的器件和芯片的选择至关重要，其直接从硬件电路上影响系统功耗的大小。因此，为降低功耗，必须合理选用器件和芯片。

      1.尽量选用CMOS器件

      在低功耗检测系统中，应该尽量选用CMOS集成电路(即互补金属一氧化物一半导体集成电路)，他的最大特点是微功耗(静态功耗几乎为零)，另外输出逻辑电平范围大，抗干扰能力强，同时其工作温度范围也宽。因此，CMOS电路和低功耗系统自然有着密切的联系。

      1．1 CMOS电路的电压传输特性和电流传输特性

      以图1所示的CMOS非门电路为例，来分析其电压传输特性和电流传输特性。CMOS门电路的电压传输特性是他的输出电压随输入电压变化的曲线，如图2(a)所示；CMOS门电路的电流传输特性是他的漏极电流随输入电压变化的曲线，如图2(b)所示。

      当输入电压V6从零开始上升，在没有达到NMOS的开启电压VTN之前，TN管截止，Tp管导通，输出电压Vo=VDD为高电平且幅度基本不变，漏极电流iD。约等于零，对应图2中(a)，(b)两图中的AB段；当Vi继续升高达到NMOS管开启电压后，原截止管TN开始导通，原导通管Tp仍处于导通状态，漏极电流iD。逐渐增大，输出电压VO随之下降，对应图2中(a)，(b)两图中的BC段；当输入电压增大到0．5VDD时·，电流iD增大到最大值，输出电压VO急剧减小，对应图2中(a)，(b)两图中的CD段；当Vi继续增大，TN管导通，TP管由导通并始向截止状态转换，漏极，电流iP逐渐减小，输出电压降低趋近于低电平，对应图2中(a)，(b)两图中的DE段；当输入电压Vi增大到使PMOS管的栅一源电压小于其开启电压时，T，管完全截止，T；管导通，漏极电流；。约等于零，输出电压VD约为零，对应图2中(a)，(b)两图中的EF段。

      从以上分析可以看出，该电路不论输出高电平还是低电子，总有一管导通一管截止，这样从电源到地之间的直流电阻就很大，因此几乎没有电流流过，也就是说静态电流几乎为零，其静态功耗极小近似为零。

      1．2 CMOS电路的功耗

      在CMOS电路中，理想情况下，I-V转移曲线是一个瞬态函数，当I-V转移曲线跨越门限时，从一个状态转移到另一个状态不消耗功率。但在实际应用中，转移曲线并不是理想的方形，因此每次状态转移时都会有大的(潜在性)开关电流。理论上看，在状态转移过程最坏情况下，具有零内阻的开关器件会在电源与地之间形成直接短路的现象。在CMOS电路中，最大的功耗来自于内部和外部电容的充放电，通常用W／Hz来表示每个门电路的功耗。

      CMOS电路的动态功耗是指CMOS电路从一个稳定状态转变为另一个稳定状态的过程中产生的功耗。其动态功耗一般来自两个方面：

      (1)当MOS管TN和TP在状态转换过程中会在短时间内同时导通产生的瞬时导通功耗，转换过程越长，此尖峰导通电流分量的平均值(Dc)也就越大，功耗也就越大，故对于CMOS电路来说，缓慢的上升和下降沿应竭力避免；

      (2)对负载电容、寄生电容充放电所产生的功耗。动态功耗的大小与申源电压、信号的工作频率、电容量的大小等有关。一般来说，这些参数的数值越大，其动态功耗就越大。

      2 选用低功耗微处理器

      现代检测系统，都离不开微处理器芯片。而对于低功耗检测系统，自然应该选用低功耗的微处理器芯片。目前低功耗微处理器品种比较多，有些微处理器的功耗极低，例如德州仪器(TI)公司的MSP430系列单片机。

      MSP430系列单片机是一种超低功耗的16位RISC混合信号处理器，其有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将CPU唤醒只要6/us，可编制出实时性特别高的源代码；可将CPU置于省电模式，用中断方式唤醒程序；在1.8~3.6V电压、1 MHz的时钟条件下，耗电电流在0.1～400uA之间，因不同的工作模式而不同，其能够在实现液晶显示的情况下只耗电0．8uA。典型情况：在4kHz，2.2V条件下工作消耗电流2.5uA；在1 MHz，2．2V条件下工作消耗电流280uA；在只有RAM数据保持的低功耗模式下耗电0.1uA。可见其功耗特别小，是低功耗微处理器的典型。

      3 选用低功耗的外围器件

      低功耗检测系统除尽量采用CMOS器件外，还应选用低功耗或微功耗的外围器件，这样才能降低系统的总体的功耗。

      3．1 选用低功耗存储器

      低功耗检测系统设计的一个永恒追求是尽可能地延长电池的使用寿命。现代的检测系统都具有数据存储能力，因此存储器的选择至关重要。

      传统存储器分为易失性存储器和非易失性存储器两大类，前者包括SRAM和DRAM，这类存储器在没有电源的情况下不能保存数据，但却有性能高、易于使用等优点。后者恰恰相反，能够在断电后保持数据资料，但由于他起源于只读存储器技术，因此具有数据写入速度慢、写人次数有限以及写入时功耗较大等缺点，这类存储器主要包括EPROM，E2PROM和快闪存储器(Flash)等。新型铁电存储器FRAM则综合了两者的长处，既拥有RAM技术的优点，又具有ROM技术的非易失性特点，是目前惟一的一种非易失性RAM。

      瑞创公司的铁电存储器核心技术是一种铁电晶体材料，当电场加载到这种材料上时，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动并到达稳定状态，晶阵中每个自由浮动中心原子都有2个稳定状态，一个状态可用来存储逻辑0，另一个状态则用来存储逻辑1。中心原子在常温下没有电场作用时状态保持时间可达一百年以上，因此铁电存储器不需要定时刷新，在断电情况下也能保存数据。由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，因此铁电存储器和其他非易失性存储器相比显示出多项优点。

      首先是写入速度快，铁电存储器可以跟随总线速度写入，写入后无需任何等候时间，而E2PROM需要等几个毫秒才能写入下一数据。其次铁电存储器的写人次数几乎无限，E2PROM的写入次数在百万次左右(106数量级)，而新一代铁电存储器却有一亿亿次(106数量级)写入寿命。FRAM的第三大优点是功耗极低，在写入同样长度数据时由于铁电存储器速度快电流低因而功耗只有E2PROM的1/2500。

      此外FRAM还可用作缓冲存储器，由于缓冲区内存放的是比较重要的资料，要求数据掉电时不能丢失，过去工程师只能通过SRAM加后备电池的方法来实现，但这种方法隐藏着电池耗干、化学液体泄出等安全可靠性问题，用铁电存储器即可免除这类困扰。

      FRAM无限次快速擦写和非易性的特点使系统工程师可以把现在电路上分离的SRAM和E2PROM两种存储器整合到一个铁电存储器里，为整个系统节省功耗与成本、减小体积，同时增加整个系统的可靠性。例如可用一个FRAM加一个便宜的单片机方案来取代一个含嵌入式SRAM的较贵单片机加外围E2PROM的系统方案。

      3．2 选用低功耗显示器件

      传统的低功耗显示器件是液晶显示器LCD(LiquidCrystal Display)。液晶显示器是一种被动显示器，他本身不发光而只是调制环境光，因此，他在显示时需要一定的光源，和其他显示器件相比有以下工作特点：

      (1)液晶显示工作电压低，仅3～6V甚至更低；功耗又极小(每平方厘米仅18-80uW)，同样的显示面积，其功耗比LED显示器小几百倍。所以他特别适宜与CMOS电路直接相配，用于各种数字及图形显示，尤其是适用于便携式智能仪器。

      (2)液晶显示器可在明亮环境下正常使用，其显示清晰度不会随环境光的增强而减弱，太阳光下他也能正常显示。

      (3)液晶显示器体积小、外形薄，为平板式显示，使用很方便。液晶显示器显示面积和字形大小以及字符的多少在一定范围内不受限制。

      (4)液晶显示器的缺点是：响应时间和余辉时间较长，为iris级，因而响应速度较慢；液晶显示器本身不发光，在黑暗环境中不能显示，需采用辅助光源；液晶显示器的工作温度范围较窄，通常为一10~十60℃。

      从以上特点可以看出，如果工作环境和条件允许，低功耗系统的显示器件可以选用液晶显示器LCD。在显示技术领域LCD仍然是便携式设备的主流显示技术，然而随着科学技术的发展，一些新兴的显示技术如OLED将会占领一部分LCD市场。未来有潜力完全取代LCD的显示技术是DP(Digital Paper)技术，他的最大优点是功耗极低，在显示数据没有变化时他不消耗任何功率，在显示数据更新时的功耗也仅为微瓦级。不过，该技术目前仍处于实验室开发阶段，在他真正进入商业化应用之前，他尚需要数年的时间来改善高电压和响应时间方面的性能。

      4 其他器件的选择

      低功耗系统其他器件的选择，像传感器、放大器、ADC转换器以及I／O接口器件等，也必须以降低功耗作为主要技术指标。

      以ADC转换器为例，可选用美国模拟器件件公司(ADI)新推出的AD77XX系列的ADC转换器。其中AD7791是24位∑一△ADC，AD7790则是16位∑一△ADC。这两种器件都带有一个可选择的差分输入缓冲器(可以接缓冲器或不接缓冲器)。当采用3 V单电源供电时，每种∑一△ADC的功耗电流为65uA；当采用5V单电源供电(不接缓冲器)时，功耗电流仅75uA。其功耗比最接近的同类产品低25％，而分辨率则是其6倍。由于这种芯片内还包含时钟发生器，所以使其成为市场上集成度最高的∑一△ADC。该器件适合用于便携式测试设备、传感器、温度与压力测量和电子秤应用。这些∑-△ADC都适合用于低频测量的低功耗模拟前端。

      另外，还应注意以下问题：

      (1)由于I／O线上的上拉或下拉电阻要消耗一定的电流，因此尽量避免使用这些电阻。

      (2)不使用的输入端不能悬空，应加上拉电阻。原因是悬空会引入外来干扰，导致电路空翻，造成额外的功率消耗。

      (3)少用驱动电阻或双极晶体管，这些器件需维持一个恒定电流，从而增加了静态电流。

      (4)在将设计划分为多个器件时，减少器件间I／O的使用。

      (5)选择较低的振荡频率，提供给单片机或其他数字器件的振荡频率，在满足应用要求的条件下应尽可能低。

      5 结 语

      便携式电子设备正朝着高集成度、低功耗、可编程以及数字化的方向发展，其中低功耗是现代便携式电子设备的重要指标之一，低功耗设计的关键技术包括选用低功耗的各类器件，低工作电压，对MCU进行时钟管理或休眠，对各部分电路和器件进行电源管理等。本文主要分析研究了便携式电子设备设计中，对于硬件电路设计所涉及的器件和芯片的选择问题。