Den „Disable Pin“ eines Verstärkers dynamisch nutzen

| Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch * / Kristin Rinortner

Bild 1: ADC-Treiber und Referenz-Puffer.
Bild 1: ADC-Treiber und Referenz-Puffer. (Bilder: Analog Devices)

Besonders im Zeitalter von IoT sind batteriebetriebene Anwendungen stark im Kommen. Im folgenden Artikel soll das Einsparpotenzial der Operationsverstärker in der Schaltung aus Bild 1 aufgezeigt werden. Dabei wird deutlich, dass Stromsparen nicht mit dem Verzicht auf Genauigkeit einhergehen muss.

Schlafen legen – nicht Abschalten

Einige moderne Operationsverstärker besitzen einen sogenannten /DISABLE Pin. Richtig eingesetzt kann damit, ohne Einbußen an Genauigkeit, bis zu 99% Energie eingespart werden. Die häufigste Anwendung des /DISABLE Pin findet man im statischen Betrieb, dem sogenannten Standby-Modus. Hierbei werden alle möglichen Verbraucher in einen Zustand geringer Energieaufnahme geschaltet – ohne das Bauteil für die Signalverarbeitung zu nutzen. In diesem Fall wird die Stromaufnahme typisch um mehrere Zehnerpotenzen reduziert.

Funktionsweise des A/D-Wandlers

Benötigt man den Operationsverstärker, wie in unserem Fall als Pufferverstärker für einen A/D-Wandler, muss dieser aktiv sein, um seine Funktion zu erfüllen. Um trotzdem in den Genuss eines geringen Energieverbrauches zu kommen, kann der Verstärker über den /DISABLE Pin in einen sogenannten Power-Down-Modus geschaltet werden. Dies geschieht immer dann, wenn der A/D-Wandler keine neuen Werte in seinen „Sample and Hold“-Funktionsblock einlesen muss.

Am einfachsten zu realisieren ist dies zusammen mit dem Startbefehl für die Wandlung (engl.: Conversion Start). Bei einem Standard-ADC wird zuerst der Eingangskondensator (engl. Sample and Hold) auf den zu messenden Wert aufgeladen. Dies geschieht solange, bis das Signal zur Wandlung an den A/D-Wandler gesendet wird. Nun wird der Eingangskondensator von der Außenwelt getrennt und an die Eingänge der Wandlerstufe geschaltet. Jetzt beginnt der Wandlungsvorgang und zum Abschluss wird, je nach Wandlertyp, ein „Fertig“-Signal (engl.: Conversion Ready) gesetzt.

Dynamischer Betrieb des Operationsvertärkers

Jetzt zur eigentlichen Frage: Wann muss der Operationsverstärker aktiv sein? Er muss solange vor dem Signal zum Start der Wandlung aktiv sein, um sicher zu stellen, dass der interne Eingangskondensator den gleichen Wert angenommen hat, wie das zu messende Signal. Diese Zeit ist u.a. davon abhängig, wie groß der Eingangskondensator ist, wie groß die zu messende Spannung ist und wie schnell der Operationsverstärker eine kapazitive Last treiben kann.

Der Blick ins Datenblatt

Das Datenblatt unseres A/D-Wandlers (AD7980) gibt als Eingangskapazität 30 pF in Reihe mit einer Impedanz von 400 Ω an. Beim Operationsverstärker ist das nicht ganz so einfach, in der Parametertabelle wird von einer kapazitiven Last von 15 pF gesprochen, aber er kann mehr, wie ein Blick in das entsprechende Diagramm zeigt. Auch nicht zu vernachlässigen ist der Tiefpass mit 2,7 nF und 20 Ω.

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass der Baustein ausreichend hohe kapazitive Lasten treiben kann. Nach einem /DISABLE benötigt der Verstärker etwa 500 ns, um den vollen Ausgangspegel einzustellen, in unserem Fall maximal 5 V bzw. 4,096 V.

Einsparpotenzial: Um auf der sicheren Seite zu sein, gehen wir davon aus, dass der Verstärker 750 ns vor dem Start der Wandlung eingeschaltet wird. Verglichen werden die extrapolierten Daten für 1 kSample/s bis 1 MSample/s. Das Einsparpotenzial reicht von 99,83 % (0,02 mW Gesamtverbrauch) bei 1 kSample/s bis 92,41 % (10,75 mW Gesamtverbrauch) bei 1 MSample/s. Die Tabelle (nur online) betrachtet nur die Einsparungen des ADC-Treibers, weiteres Potenzial besteht im Puffer für die Referenz.

Nachweis erwünscht

Der gezeigte Ansatz soll zeigen, was mit modernen Bauteilen möglich ist. Messungen haben keine Veränderung von Werten für SINAD ergeben, bei minimaler Einschaltzeit (500 ns) gab es eine Abweichung des SINAD von <0,5 dB. Im Fall des Treibers lohnt es sich durchaus auf schnellere Derivate zu achten und diese dynamisch zu betreiben. Betrachtet wurde hier nur die Anwendung als Puffer (Verstärkung = 1); bei invertierenden Verstärkern oder anderen Verstärkungen ist die Einsparung unterschiedlich stark, da hier andere Bedingungen herrschen. Der beste Weg, die Daten nachzuprüfen, ist: selber messen!

* Thomas Tzscheetzsch arbeitet als Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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