Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №5

Операционные усилители для экономичных применений

Пушкарев Михаил


Снижение энергопотребления электронной аппаратуры — постоянная задача для разработчиков. Особенно важным низкое энергопотребление является для аппаратуры, получающей питание от батарей или других источников питания ограниченной мощности: датчиков охранно-пожарной сигнализации, портативных измерительных и медицинских приборов, звукозаписывающих устройств, аппаратуры связи. Одна из возможностей для решения этой задачи — использование электронных компонентов, в том числе операционных усилителей, с низким собственным энергопотреблением и предпочтительно с однополярным питанием.

Первый микромощный ОУ — это µA776 фирмы Fairchild, известный российским специалистам как 140УД12. Этот ОУ благодаря наличию дополнительного вывода управления позволяет изменением тока через него изменять ток потребления в пределах 20–200 мкА. При этом, естественно, изменяются его характеристики, как по постоянному, так и по переменному току. Обычная для своего времени схемотехника ограничивает его применение в настоящее время.

Электронные схемы на германиевых транзисторах, поскольку их основная масса имела PNP-структуру, имели в качестве общего провода положительный полюс источника питания. В отрицательный же полюс питания включались стабилизаторы и развязывающие фильтры. Массовое распространение кремниевых транзисторов, для которых NPN-структура оказалась технологичнее, сделало традиционным использование в качестве общего провода (земли) в аппаратуре с одним источником питания его отрицательного полюса. Совершенствование схемотехники и технологии производства операционных усилителей привело к выпуску так называемых «single supply» ОУ, в которых при питании от одного источника входное синфазное напряжение может достигать потенциала земли и даже быть ниже его, а минимальная величина выходного сигнала отличается от потенциала земли всего на несколько десятков милливольт. Первыми такими ОУ стало семейство LM124/224/324/2902 фирмы National Semiconductor. Схемотехника этих усилителей оказалась настолько удачной, что они получили очень широкое распространение и выпускаются многими фирмами под теми же или несколько модифицированными обозначениями. Существуют версии этих усилителей с измененной схемой и уменьшенным энергопотреблением.

Дальнейшее развитие схемотехники ОУ, и в особенности освоение технологии КМОП линейных интегральных схем, привело к появлению так называемых «Rail-to-Rail» усилителей, в которых входное и выходное напряжения либо одно из них могут изменяться вплоть до отрицательного и положительного полюсов питания. В некоторых моделях ОУ с входом «Rail-to-Rail» входное напряжение может на 100–300 мВ выходить за пределы напряжения источника питания. Существуют и такие уникумы, как LT1782/LT1783/LT1784 от Linear Technology, работоспособность которых сохраняется при входном синфазном напряжении до 18 В при напряжении питания 3 В, правда при существенном увеличении входного тока.

Входной каскад Rail-to-Rail представляет собой параллельное соединение двух дифференциальных пар на комплементарных биполярных или МОП-транзисторах. Соответственно, с изменением входного синфазного напряжения изменяется входной ток, вплоть до изменения его направления, изменяется напряжение смещения, возможно с изменением знака. В точке переключения, где одна из дифференциальных пар прекращает работать, эти изменения могут иметь скачкообразный характер. Изменяются также и частотные характеристики ОУ. По этим причинам нежелательно использовать полный диапазон входного синфазного напряжения. Поскольку в последних разработках ОУ точка переключения преднамеренно смещена к одному из полюсов питания, это требование не вызывает практических затруднений. А вообще-то, без крайней необходимости лучше не использовать ОУ с входным каскадом Rail-to-Rail, особенно в прецизионных схемах на постоянном токе, тем более что такая необходимость возникает весьма редко.

При использовании ОУ с однополярным питанием может наблюдаться явление «переворота фазы». Если не предусмотрены встроенные или внешние элементы защиты, при выходе входного напряжения за пределы напряжения источника питания более установленных границ выходной сигнал ОУ меняет фазу на противоположную ожидаемой. Чаще всего после снятия входного сигнала работоспособность схемы восстанавливается. Характерным примером схемы, лишенной такой способности, является схема преобразователя напряжения в ток для двухпроводного датчика с токовым выходом 4–20 мА, приведенная в справочном материале на ОУ OP295/OP495 Analog Devices. При использовании в такой схеме ОУ, страдающего недугом «переворота фазы», без защитных элементов схема защелкивается с возрастанием потребляемого тока и возвращается в исходное состояние только после снятия питания.

В производстве операционных усилителей используются различные конструктивно-технологические решения, позволяющие в различных комбинациях получить требуемые характеристики:

  • входные каскады на биполярных транзисторах обычно обеспечивают наименьший сдвиг нуля, его минимальный температурный дрейф и наименьшие значения напряжения шумов;
  • входные каскады на полевых транзисторах с p-n-переходом и МОП-транзисторах имеют наименьшие входные токи и очень малый шумовой ток;
  • выходные каскады на биполярных транзисторах могут обеспечивать большие выходные токи;
  • технология линейных КМОП микросхем позволяет изготовить ОУ с минимальным энергопотреблением, но с максимальным напряжением питания не более 12 В.

Как правило, уменьшение собственного энергопотребления ОУ ведет к снижению быстродействия и повышению уровня шума, однако постоянное и непрерывное совершенствование технологии интегральных схем с уменьшением топологических размеров ведет к появлению все новых и новых семейств ОУ с более совершенными параметрами.

Экономичные ОУ выпускаются многими фирмами, но особенно преуспели в этом Linear Technology, Maxim, Microchip, National Semiconductor, Texas Instruments, STMicroelectronics. Наиболее экономичные ОУ у Maxim и Microchip, а в производстве прецизионных экономичных ОУ впереди Analog Devices, Linear Technology и Texas Instruments.

Семейства ОУ с их краткими характеристиками сгруппированы в таблицы. Все данные взяты из официальных материалов изготовителей. Основными критериями отбора стали минимальный потребляемый ток и работоспособность с однополярным питанием, что является определяющим для аппаратуры с батарейным питанием. Не рассмотрены ОУ с токовой обратной связью, мало используемые в портативной аппаратуре.

Наряду с ОУ, специально предназначенными для работы с одним источником питания, в таблицы включена и часть ОУ, не имеющих такой характеристики. Это касается ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах, удобных для построения активных фильтров, особенно инфранизких частот, и некоторых быстродействующих ОУ.

Для уменьшения объема таблиц каждое из семейств представлено основным исполнением. В отличие от обычного представления в подобных таблицах лучших показателей по каждому параметру, все параметры по возможности приведены при питающем напряжении 5 В, что дает лучшие возможности для сравнения ОУ разных производителей. Диапазон допустимых значений напряжения питания показан для однополярного включения. Максимальный выходной ток приведен для размаха выходного напряжения на 0,5 В меньше его максимально возможного значения. Жирным шрифтом выделены значения параметров во всем рабочем диапазоне температур.

Более подробные таблицы с большим набором параметров, в том числе с указанием рабочего диапазона температур и вариантов корпусов, можно скачать по ссылке http://www.finestreet.ru/dl.php?f=kitxls

Большая часть ОУ вошла в таблицу 1. В этой таблице практически все усилители имеют типичное значение тока потребления менее 0,5 мА. Только несколько ОУ с типовым значением потребляемого тока до 0,8 мА представлены в качестве примеров усилителей с большим выходным током и быстродействием.

Таблица 1
Таблица 1 (окончание)
Примечания:
1. В столбце «Изготовитель»: AD — Analog Devices Inc.; ALD — Advanced Linear Devices Inc.; AS — Альфа; F — Fairchild Semiconductor; IL — Интеграл; LND — Linear Dimensions Semiconductor; LT — Linear Technology Co.; MAX — Maxim Integrated Products; MCP — Microchip Technology Inc.; MIC — Micrel Inc.; NEC — Nippon Electronics Co.; NS — National Semiconductor Co.; ON — ON Semiconductor; PH — Philips Semiconductors; STM — STMicroelectronics; TI — Texas Instruments Inc.; UTC — Unisonic Technologies.
2. В столбцах «Rail-to-Rail (вход, выход)», «Однополярное питание», «Отключение» символом • отмечено наличие соответствующего признака.
3. В столбце «Переворот фазы» символом • отмечено наличие явления, символом x — отсутствие явления, пустая ячейка означает отсутствие четких указаний в справочных данных изготовителя.

Чемпионами по энергопотреблению являются ОУ серий MCP604x и MCP614x от Microchip с током потребления 0,6 мкА и MAX4036, MAX4038 от Maxim с током потребления 0,9 мкА. Естественно, при этом они имеют очень малое быстродействие и повышенный уровень шумов. Для ОУ MAX4289, Maxim минимально допустимое напряжение питания составляет всего 1 В, что является рекордным показателем. Характеристики ОУ, особенно напряжение смещения и входные токи, существенно зависят от температуры окружающей среды, что требуется учитывать при конструировании аппаратуры. ОУ с минимальным температурным дрейфом напряжения смещения обычно относятся к категории прецизионных, которые рассматриваются ниже. А вот усилители LMC6482/LMC6484 фирмы National Semiconductor, изготовленные по КМОП-технологии, имеют входной ток не более 4 пА в диапазоне температур окружающей среды –40…+85 °С и не более 10 пА при температурах –55…+125 °С.

Прецизионные усилители представлены в таблице 2. Как и для ОУ общего применения, типовое значение потребляемого тока не превышает 0,5 мА, и только AD8625/AD8626/AD8627 с током потребления 0,63 мА приведены в качестве примера прецизионного широкополосного ОУ с большим выходным током. Обычно усилители с входными каскадами на полевых транзисторах имеют заметно большие значения напряжения смещения и его температурного дрейфа, и в большинстве своем прецизионные ОУ производятся по биполярной технологии. Однако такие КМОП прецизионные ОУ, как OP334 Texas Instruments с автокоррекцией нуля, имеют типовое значение напряжения смещения на уровне 1 мкВ.

Таблица 2

Снижение энергопотребления плохо совмещается с обеспечением быстродействия, но есть и весьма быстродействующие усилители с достаточно малым потребляемым током. Поистине быстродействующими являются ОУ MIC919, MIC921 от Micrel, последний из которых имеет частоту единичного усиления 37 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 1500 В/мкс при токе потребления 300 мкА.

Стремление к уменьшению габаритов аппаратуры привело к появлению комбинированных аналоговых схем, перечисленных в таблице 3, в которых операционные усилители дополнены другими элементами. Например, микросхемы MAX4174 и MAX4274 содержат встроенные прецизионные резисторы обратной связи и выпускаются в 54 стандартных вариантах, обеспечивающих коэффициент усиления от 0,4 до 100 в инвертирующем включении и от 1,25 до 101 в неинвертирующем включении с погрешностью не хуже 0,1%. MAX4175, MAX4275 дополнительно к резисторам обратной связи содержат делитель напряжения питания на 2, подключенный к неинвертирующему входу. Все ОУ имеют встроенную защиту входов от повышенного напряжения до ±17 В.

Таблица 3

MAX4037 и MAX4039 содержат один и два операционных усилителя и источник опорного напряжения 1,232 В±0,5% с температурным коэффициентом напряжения не хуже 120 ppm/°С. Источник опорного напряжения буферизирован и обеспечивает вытекающий ток 100 мкА и втекающий ток 20 мкА.

Многие модели ОУ имеют специальный вывод выключения. Усилитель активируется подачей сигнала на этот вывод. При снятии сигнала ток, потребляемый усилителем, многократно уменьшается, а выход усилителя переходит в высокоомное состояние. Например, ток утечки для LT17841IS6 в режиме выключения не превышает 1 мкА при типовом значении потребляемого тока 500 мкА. Эту функцию можно использовать как для экономии энергии, так и для мультиплексирования сигналов переменного тока. LMV422 от National Semiconductor имеет режим пониженного энергопотребления, в котором усилитель продолжает выполнять свои функции с уменьшением потребляемого тока с 400 до 2 мкА, естественно с ухудшением быстродействия.

Миниатюризации аппаратуры способствует миниатюризация корпусов интегральных схем. Распространенные миниатюрные корпуса — это SC70 для одиночных ОУ и MSOP, TSSOP — для сдвоенных и счетверенных.

Представленные материалы помогут в выборе группы ОУ, наиболее подходящих для выполнения конкретной задачи. Оптимизировать выбор можно только изучив подробные справочные данные на выбранные изделия.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке