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Designs für niedrigen Stromverbrauch optimieren

Analoge Signale mit Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern hochpräzise messen

19. November 2013, 16:59 Uhr | Alison Evans, Avnet Memec

Die DAQ-on-Stick-Evaluierungsplattform beinhaltet eine Software mit grafischer Benutzeroberfläche, um die Verstärkung für unterschiedliche Sensoren wie zum Beispiel Druck-, Dehnungs-, Durchfluss-, AMR- und Ultraschallsensoren einzustellen.

Präzisionsanalogdesigns stellen die Ingenieure vor die Herausforderung, dass für Remote- und Handgeräte immer niedrigere Leistungsaufnahmen verlangt werden. Alison Evans, European Technical Marketing Avnet Memec, erklärt am Beispiel einer Intersil-Low-Power-MCU-Lösung, was dabei zu berücksichtigen ist.

Bei der hier vorgestellten Intersil-Lösung mit Low-Power-Mikrocontrollern gehen wir davon aus, dass die Entwicklungsvorgabe geringstmögliches Rauschen und eine Genauigkeit von 16- bis 24-Bit-Anwendungen für Sensor- und Datenerfassung lautet. Sensor-Anwendungen umfassen daher typischerweise Thermoelement- oder Thermopile-Sensoren und Brückensensoren wie zum Beispiel Druck-, Dehnungs-, Durchfluss-, AMR- und Ultraschallsensoren. Selbstverständlich kann diese Schaltung auch für allgemeine analoge Eingänge in Datenerfassungssystemen genutzt werden. Für alle oben genannten Systeme erreicht das unten dargestellte Intersil-Design 18- bis 22-Bit (effektiv) höchste Präzision. Daher umfasst die Lösung für die Signalaufbereitung die Eingangsverstärkung (üblicherweise Verstärker oder Instrumentationsverstärker), ADC- und präzise Anregungsspannungen oder Spannungsreferenzen für ein radiometrisches Design.

Um beim Operationsverstärker zu beginnen: Hier müssen die Bias-Schaltung, der Eingang, der Ausgang und die Kompensationsstufen untersucht werden. Die Gleichstrom-Bias Schaltung für den Operationsverstärker muss präzise bestimmte und richtig geregelte Ruhevorspannungsströme bei sehr geringen Strömen liefern. Der Strom darf nicht durch Änderungen der Temperatur, Speisespannung und Prozesstoleranzen beeinflusst werden. Die Konfiguration der Eingangsstufe gibt vor, ob der Operationsverstärker in einer Anwendung mit niedriger Speisespannung (1,2 V oder weniger) eingesetzt werden kann. Daher ist die Verwendung von Kern-Bauteile mit passenden Stromsparmodi, geringen Versorgungsspannungen und niedrigen Leistungsaufnahmen wünschenswert (aber nicht immer möglich).

Durch Verwendung einer Class-B- oder -AB-Ausgangsstufe kann die statische Verlustleistungdurch auftretende Leckströme reduziert werden. Hier kann es auch sinnvoll sein, Produkte mit Rail-to-Rail-Common-Mode-Eingangsbereich und kleinen Ausgangsströmen zu verwenden, um einen geringeren Stromverbrauch zu erzielen. Dabei müssen wir natürlich nach wie vor daran denken, die hohe Präzision und Genauigkeit aufrechtzuerhalten; Offsetwerte müssen bei hohen Eingangsimpedanzen unbedingt niedrig gehalten und zugleich müssen eine hohe Gleichtaktunterdrückung (CMRR, Common Mode Rejection Ration) und eine Unterdrückung von Speisespannungsschwankungen (PSRR, Power Supply Rejection Ratio) gewährleistet werden. Dies sind nur wenige der zentralen Erwägungen für den Operationsverstärker, doch sind natürlich für eine Präzisionssignalkette eine Reihe von Bauteilen erforderlich, von denen der ADC eines der wichtigsten ist. Ein höherer Durchsatz bedingt einen höheren Stromverbrauch. Der Stromverbrauch kann durch eine Reduzierung der Abtastrate vermindert werden; jedochkann die Genauigkeit der Schaltung darunter leiden. Deshalb muss eine passende Signalaufbereitung und Zwischenspeicherung gewählt werden, um eine optimale Leistung zu erzielen und zugleich den Stromverbrauch gering zu halten.

Bei der stromverbrauchsorientierten Optimierung eines Designs ist die Auswahl von Analogbauteilen - vor allem ADC, Operationsverstärkers, Pufferspeichers und Spannungsregler - mit niedrigeren Speisespannungen ein entscheidender Faktor.
Bei Designs für Handgeräte ist es ein großer Vorteil, dass Batterien verwendet werden, denn sie erzeugen weniger Rauschen als Standardstromversorgungen. Somit geraten sofort weniger umgebungsbedingte oder elektrische Störungen in den analogen Signalpfad. Darüber hinaus kann eine differentielle Signalaufbereitung das Rauschen im Design verringern und zudem den Dynamikbereich vor der ADC-Wandlung vergrößern.