EP Basics: Low Power OpAmps So senken Sie den Stromverbrauch in OPV-Schaltungen

In diesem Analogtipp erklären wir den Entwurf von Verstärkerschaltungen mit geringem Stromverbrauch: Wie finden Sie den richtigen Low-Power-Operationsverstärker und wie wirken sich höhere Werte der diskreten Widerstände auf die Schaltung aus?

Die Leistungsaufnahme einer Operationsverstärkerschaltung setzt sich aus verschiedenen Quellen zusammen: Ruhestrom, Ausgangsleistung des Operationsverstärkers und Leistung der Last.

Die Ruhestromleistung, P_Quiescent, ist die Leistung, die benötigt wird, um den Verstärker eingeschaltet zu halten, und wird durch den Ruhestrom I_Q des Operationsverstärkers bestimmt, der in der Regel im Produktdatenblatt aufgeführt ist.

Die Ausgangsleistung, P_Output, ist die Leistung, die in der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers verbraucht wird, um die Last zu treiben. Die Lastleistung, P_Load, ist die von der Last selbst abgegebene Leistung.

Beispiel batteriebetriebener Sensor

Betrachten wir einen batteriebetriebenen Sensor, der ein analoges Sinussignal mit einer Amplitude von 50 mV und einem Offset von 50 mV bei 1 kHz erzeugt. Das Signal muss für die Signalkonditionierung auf einen Bereich von 0 bis 3 V hochskaliert werden. Dazu ist eine nichtinvertierende Verstärkerkonfiguration mit einer Verstärkung von 30 V/V erforderlich (Bild 1).

Der Operationsverstärker arbeitet mit einer einzigen Versorgungsspannung und einem sinusförmigen Ausgangssignal, das einen Gleichspannungsoffset aufweist. Daher verwenden wir die Gleichungen in Bild 2, um die mittlere Gesamtleistung, P_total,avg, zu ermitteln.

Die Versorgungsspannung wird durch U+ dargestellt. U_off ist der Gleichspannungsoffset des Ausgangssignals und U_amp ist die Amplitude des Ausgangssignals.

R_Load ist der gesamte Lastwiderstand des Operationsverstärkers. Beachten Sie, dass die mittlere Gesamtleistung direkt mit I_Q und umgekehrt proportional mit R_Load zusammenhängt.

Verstärker mit dem richtigen I_Q auswählen

Die Gleichungen 5 und 6 enthalten mehrere Terme, die am besten einzeln betrachtet werden sollten. Die Auswahl eines Verstärkers mit einem niedrigen I_Q ist die einfachste Strategie um den Gesamtstromverbrauch zu senken.

Natürlich müssen Sie bei dieser Methode einige Kompromisse eingehen. So haben Bauelemente mit einem niedrigeren I_Q in der Regel eine geringere Bandbreite, weisen ein stärkeres Rauschen auf und sind möglicherweise schwieriger zu stabilisieren.

Da der I_Q von Operationsverstärkern um Größenordnungen variieren kann, lohnt es sich, sich Zeit für die Auswahl des richtigen Verstärkers zu nehmen. Stromeinsparung und andere Parameter sollten gut ausbalanciert sein. Für Anwendungen, die eine maximale Leistungseffizienz erfordern, sind Nanopower-Bausteine gut geeignet.

TI bietet eine parametrische Suche an, mit der Sie nach Bauelementen suchen können, die Ihren spezifischen Parametern entsprechen, z. B. solche mit einem I_Q ≤10 µA.

Verringerung des Widerstands des Lastnetzes

Betrachten wir nun die restlichen Terme der Gleichungen 5 und 6. Die U_amp-Terme heben sich ohne Auswirkung auf P_total,avg auf und U_off ist im Allgemeinen durch die Anwendung vorgegeben. Mit anderen Worten: Sie können U_off oft nicht zur Senkung des Stromverbrauchs verwenden.

In ähnlicher Weise wird die Spannungsschiene U+ in der Regel durch die in der Schaltung verfügbaren Versorgungsspannungen festgelegt. Es scheint so, dass der Begriff R_Load ebenfalls durch die Anwendung vorgegeben ist.

Dieser Begriff umfasst jedoch alle Komponenten, die den Ausgang belasten, und nicht nur den Lastwiderstand R_L. Im Fall der in Bild 1 dargestellten Schaltung würde R_Load aus R_L und den Rückkoppelwiderständen R1 und R2 bestehen. R_Load wird also durch die Gleichungen 7 und 8 definiert.

R_Load = R_L || (R1 + R2) (7)

R_Load = [R_L x (R1 + R2)] / [RL + (R1 + R2) (8)

Rückkoppelwiderstände: das müssen Sie beachten

Indem Sie die Werte der Rückkoppelwiderstände erhöhen, können Sie die Ausgangsleistung des Verstärkers verringern. Diese Technik ist besonders effektiv, wenn der Term der Ausgangsleistung P_Quiescent überwiegt, hat aber ihre Grenzen.

Wenn die Rückkoppelwiderstände deutlich größer werden als R_L, dann dominiert R_L den Term R_Load, so dass die Leistungsaufnahme nicht mehr schrumpft. Große Rückkoppelwiderstände können auch mit der Eingangskapazität des Verstärkers interagieren, und die Schaltung destabilisieren und erhebliches Rauschen erzeugen.

Um den Rauschbeitrag dieser Komponenten zu minimieren, empfiehlt es sich, das thermische Rauschen des äquivalenten Widerstands an jedem der Eingänge des Operationsverstärkers mit der Spektraldichte des Spannungsrauschens des Verstärkers zu vergleichen.

Als Faustregel gilt, dass die Eingangsrauschdichte des Verstärkers mindestens dreimal so hoch sein muss, wie das Spannungsrauschen des äquivalenten Widerstands an jedem der Verstärkereingänge. (kr)

Nach Unterlagen von Texas Instruments

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