Analogtipp Was bringen Operationsverstärker mit Shutdown-Modus?

Von Daniel Miller *

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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.

Operationsverstärker: Spezielle Verstärker lassen sich durch einen Pin in den Ruhemodus versetzen. Das bringt einige Vorteile.
Operationsverstärker: Spezielle Verstärker lassen sich durch einen Pin in den Ruhemodus versetzen. Das bringt einige Vorteile.
(Bild: TI )

Beim Design einer stromsparenden Schaltung können Sie oftmals nicht auf Operationsverstärker mit geringer Ruhestromaufnahme (IQ) 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 IQ-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 (IQSD), die Versorgungsspannung (Usupply) und die Zeiten, in denen die Schaltung voraussichtlich im normalen Zustand und im Shutdown-Modus befinden wird (ton bzw. toff).

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:

Pavg v.=Usupply x [(%ton x IQ) + (%toff x IQSD)] (1)

Pavg gesp. = (Usupply x IQ) – Pavg 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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