Analogtipp Was bringen Operationsverstärker mit Shutdown-Modus?

Ein Shutdown-Verstärker lässt sich in einen Betriebszustand mit geringer Leistungsaufnahme versetzen. Daneben schützt er vor zu hohen Eingangsspannungen und bietet im Shutdown-Modus einen definierten Ausgangszustand. Das bringt Vorteile.

Beim Design einer stromsparenden Schaltung können Sie oftmals nicht auf Operationsverstärker mit geringer Ruhestromaufnahme (I_Q) zurückgreifen, weil diese meist Abstriche bei Bandbreite, Rauschverhalten und Stabilität bedingen.

Abhilfe können hier Verstärker bringen, die über einen speziellen Enable- oder Shutdown-Pin in einen Stromspar-Modus versetzt werden können. Durch das Deaktivieren des Verstärkers werden die Bias-Schaltungen so angepasst, dass sich der I_Q-Wert des Verstärkers drastisch verringert.

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Diese Verstärker bieten somit während der aktiven Phasen die Eigenschaften eines breitbandigeren Operationsverstärkers, nehmen aber in den inaktiven Zeit nur sehr wenig Leistung auf (Bild 1).

Der Hauptvorteil eines Shutdown-Verstärkers ist offensichtlich: er lässt sich über die Shutdown-Funktion in einen Betriebszustand mit geringer Leistungsaufnahme versetzen.

Man könnte an dieser Stelle die Frage einwerfen, weshalb überhaupt ein Shutdown-Pin erforderlich ist und man nicht stattdessen einfach die Versorgungsspannung ein- und ausschaltet. Die Begründung liegt in den weiteren Vorteilen von Shutdown-Verstärkern, wie dem Schutz vor zu hohen Eingangsspannungen und dem definierten Ausgangszustand im Shutdown-Modus.

Die meisten Verstärker besitzen ESD-Schutzdioden zwischen ihren Eingängen und den Versorgungsspannungs-Anschlüssen. Sie schützen vor kurzfristigen elektrostatischen Entladungen, können aber beschädigt werden, wenn bei abgeschalteter Stromversorgung ein Eingangssignal angelegt wird. Anders ist es, wenn der Verstärker über den Shutdown-Pin deaktiviert wird: die Versorgungsspannung liegt weiter an, und es können weiter Eingangssignale an den Baustein gerichtet werden.

Auch der Ausgang profitiert vom Deaktivieren des Verstärkers über den Shutdown-Pin: im Datenblatt ist häufig angegeben, dass der Ausgang im Shutdown-Modus hochohmig geschaltet wird. Würde man den Verstärker stattdessen durch Abschalten der Versorgungsspannung deaktivieren, wäre das Verhalten des Ausgangs-Pins nicht definiert.

Zu den weiteren Pluspunkten, die sich mit der Nutzung des Shutdown-Pins ergeben, gehören die Kompatibilität zu digitaler Logik, eine Kosten- und Platzersparnis und ein weniger komplexes Design.

OPV: Stromersparnis mit dem Shutdown-Modus

Um zu berechnen, welche Stromersparnis sich mit dem Shutdown-Modus erreichen lässt, benötigen Sie die Stromaufnahme im Shutdown-Modus (I_QSD), die Versorgungsspannung (U_supply) und die Zeiten, in denen die Schaltung voraussichtlich im normalen Zustand und im Shutdown-Modus befinden wird (t_on bzw. t_off).

Nimmt man der Einfachheit halber eine vernachlässigbar geringe resistive Belastung an, lässt sich mit Gleichung 1 die durchschnittliche Leistungsaufnahme einer abwechselnd ein- und ausgeschalteten Schaltung berechnen, während mit Gleichung 2 die Einsparung gegenüber einer dauerhaft aktiven Schaltung ermittelt wird:

P_{avg v.}=U_supply x [(%t_on x I_Q) + (%t_off x I_QSD)] (1)

P_{avg gesp.} = (U_supply x I_Q) – P_{avg v.} (2)

Was dies in der Praxis bedeutet, soll nun anhand der Schaltung in Bild 2 ermittelt werden. Der TLV9042S ist hier als Unity Gain Buffer, also als Puffer mit Eins-Verstärkung konfiguriert. Damit ergeben sich die in Tabelle 1 aufgeführten Messwerte.

Anhand der Daten aus Tabelle 1 lassen sich nun die potenziellen Einsparungen von Anwendungen mit unterschiedlichen Betriebszyklen errechnen. Tabelle 2 gibt für unterschiedliche Betriebsspannungen und Betriebszyklen die jeweilige Reduktion der Leistungsaufnahme an. Die angegebenen Betriebszyklen geben beispielsweise die Einsatzverhältnisse eines Photodioden-Verstärkers oder eines Rauchmelders wieder.

* Daniel Miller arbeitet als Systems Engineer General-purpose Amplifiers bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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