Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №12

Новейшие операционные усилители Texas Instruments c программируемым коэффициентом усиления и мультиплексором

Берелидзе Виталий


В статье рассмотрены новинки аналоговой техники — микросхемы усилителей с программируемым усилением и входным многоканальным мультиплексором.

Операционные и инструментальные усилители от Texas Instruments, в том числе и прецизионные, разработкой и производством которых заняты всего несколько производителей, известны и востребованы разработчиками. Недавно семейство прецизионных аналоговых интегральных микросхем фирмы пополнилось новой серией.

PGA112, PGA113 и PGA116, PGA117 представляют собой комбинацию одновходового усилителя с однополярным питанием и программируемым усилением (PGA) и входного мультиплексора. PGA112 и PGA113 имеют двухканальный мультиплексор и программное выключение для экономии электроэнергии, в PGA116 и PGA117 — 10–канальный мультиплексор, а отключение как программное, так и аппаратное. В PGA112 и PGA116 усиление выбирается из ряда (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128), а в PGA113 и PGA117 — из ряда (1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200).

Выбор канала мультиплексора и установка усиления выполняются через стандартный SPI–интерфейс. PGA112, PGA113 имеют 3–проводный SPI цифровой интерфейс, а PGA116, PGA117 — 4–проводный SPI цифровой интерфейс с возможностью последовательного соединения по шине данных.

Области применения микросхем: дистанционное измерение электрических сигналов, портативные устройства сбора данных, системы сбора данных под управлением персонального компьютера, тестовое оборудование, программируемые логические контроллеры, устройства с автоматическим управлением усилением, устройства с батарейным питанием.

PGA112 и PGA113 конструктивно выполнены в корпусе MSOP–10, PGA116 и PGA117 — в корпусе TSSOP–20.

Основные электрические характеристики микросхем приведены в таблице 1, а функциональные схемы усилителей PGA112, PGA113 и PGA116, PGA117 изображены на рис. 1–2.

Рис. 1. Применение PGA112, PGA113 с калибровкой при V_REF = AV_DD/2
Рис. 1. Применение PGA112, PGA113 с калибровкой при VREF = AVDD/2
Таблица 1. Электрические характеристики при напряжении питания +5 В
Напряжение смещения нуля VOS, мкВ VCM = 2,5 В   ±25 ±100
VCM = 4,5 В   ±75 ±325
Температурный дрейф смещения нуля dVOS/dT, мкВ/°C VCM = 2,5 В   0,35 1,2
VCM = 4,5 В   0,6 1,8
Входной ток канала IIN, нА     ±1,5 ±5
Диапазон входного напряжения VIN, В   GND−0,1   AVDD+0,1
Номинальное усиление G 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 1   128
1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 1   200
Погрешность усиления, % G=1   0,006 0,1
1 < G < 32     0,1
G > 50     0,3
Температурный дрейф усиления, ppm/°C G=1   0,5  
1 < G < 32   2  
G > 50   6  
Погрешность передачи каналов CAL2 и CAL3, %     0,02  
Диапазон выходного напряжения VOUT, В IOUT = ±0,25 мА GND+0,05   DVDD−0,05
Напряжение питания AVDD, В   2,2   5,5
Напряжение питания DVDD, В   2,2   5,5
Ток, потребляемый аналоговой частью IQA, мА     0,3 0,45
Ток, потребляемый цифровой частью IQD, мА     0,75 1,2

Во всех моделях используется раздельное питание аналоговой части AVDD и цифровой части DVDD. Такая расщепленная архитектура питания позволяет упростить соединение с аналого–цифровыми преобразователями и микроконтроллерами в системах со смешанным питанием, например, в тех, где аналоговое питание AVDD = +5 В, а цифровое питание DVDD = +3 В. Аналоговый выходной каскад PGA и схема SPI цифрового интерфейса SPI питаются от DVDD. Для нормальной работы микросхем DVDD должно быть меньше или равно AVDD +0,3 В. После подачи питания PGA устанавливается в состояние с G = 1 и активным каналом CH0.

Четыре внутренних калибровочных канала предназначены для системной калибровки. Каналы подключены к GND, 0,9VCAL, 0,1VCAL и VREF соответственно. VCAL, внешнее напряжение, подключаемое к входу VCAL/CH0, служит опорным при системной калибровке. Если VCAL — опорное напряжение системного АЦП, калибровка усиления и смещения АЦП легко обеспечиваются через PGA с использованием только одного входа мультиплексора. Если калибровка не применяется, то VCAL/CH0 может использоваться как стандартный вход мультиплексора. Все четыре версии имеют вывод VREF, который может быть подключен к «земле» (рис. 2) или к средней точке питания в системах с однополярным питанием, в которых средняя точка питания используется в качестве виртуальной «земли» (рис. 1).

Рис. 2. Применение PGA116, PGA117 с калибровкой каналов при V_REF = 0
Рис. 2. Применение PGA116, PGA117 с калибровкой каналов при VREF = 0

Усилитель с программируемым усилением представляет собой операционное устройство с однополярным питанием и railto–rail входом и выходом (RRIO). Чтобы обеспечить диапазон изменения входного напряжения от нуля и до напряжения питания, на входе использованы два параллельно включенных входных каскада. Как показано на рис. 3, на каждом входе есть p–канальные МОП–транзисторы для работы вблизи потенциала «земли» и параллельно подключенные n–канальные МОП–транзисторы для работы вблизи напряжения питания. Когда синфазное входное напряжение (точнее, напряжение на единственном входе, поскольку этот усилитель с программируемым усилением (PGA) внутренне сконфигурирован для неинвертирующего включения) пересекает уровень, типично лежащий на 1,5 В ниже напряжения питания, происходит переключение между n–канальными и p–канальными транзисторами. В результате этого переключения появляется небольшое изменение входного напряжения смещения, передающееся на выход с установленным усилением. Это изменение для тех или иных экземпляров приборов может быть разным: и положительным, и отрицательным. Поскольку граница переключения иная для разных образцов микросхем, входное напряжение смещения нормируется для

Рис. 3. Входной каскад PGA
Рис. 3. Входной каскад PGA

входного напряжения выше и ниже границы переключения (таблица 1).

На рис. 4 показана базовая конфигурация использования PGA в качестве усилительного блока.

Рис. 4. Использование PGA в качестве усилительного блока
Рис. 4. Использование PGA
в качестве усилительного блока

Выходное напряжение определяется выражением:

  VOUT = G×VIN, (1)
где G = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 (для PGA112, PGA116); G = 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 (для PGA113, PGA117).

На рис. 5 изображена конфигурация PGA с VREF = AVDD/2, а выражения (2), (3) определяют выходное напряжение для нее. VOUT0 — это выходное напряжение VOUT, когда выбран канал CH0, а VOUT1 — это VOUT, когда выбран канал CH1. Эта конфигурация обеспечивает положительное и отрицательное изменение напряжения относительно виртуальной «земли» — средней точки питания. Вывод VREF не оказывает никакого воздействия при G = 1, потому что внутренний резистор обратной связи, RF, замкнут накоротко.

  VOUT0 = G×VIN0−AVDD/2×(G−1). (2)

Рис. 5. Конфигурирование PGA для усиления сигнала относительно виртуальной 'земли'
Рис. 5. Конфигурирование PGA для усиления сигнала
относительно виртуальной «земли»

Если G = 1, то VOUT0 = G×VIN0.

VOUT1 = G(VIN1+AVDD/2)−AVDD/2 (G−1);

  VOUT1 = G VIN1+AVDD/2,
где −AVDD/2 < G×VIN1 < +AVDD/2
(3)
и G = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 (для PGA112, PGA116); G = 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 (для PGA113, PGA117).

Типовое значение сопротивления обратной связи RI = 3,25 кОм. Соответствующее усилению значение сопротивления резистора обратной связи RF можно рассчитать по выражению (4).

  G = 1+RF/RI. (4)

Малосигнальная полоса пропускания и быстродействие усилителя (скорости нарастания и спада выходного сигнала) связаны с выбранным усилением. Частотные характеристики микросхем приведены в таблице 2. Полоса пропускания на полной мощности (то есть самая высокая частота, на которой синусоидальный сигнал может пройти через PGA без заметных искажений) связана с быстродействием уравнением (5):

  SR [В/мкс] = 2pf×VOP(1×10−6), (5)
где SR — скорость изменения сигнала, В/мкс; f — частота, Гц; VOP — амплитуда выходного напряжения, В.

Таблица 2. Связь частотных характеристик с усилением (Сн =100 пФ, Rн = 10 кОм)
Усиление Полоса пропускания
на уровне
−3 дБ, МГц
Время
спада,
В/мкс
Время
нарастания,
В/мкс
Время установления
с погрешностью 0,1%
и амплитудой 4 В, мкс
Время установления
с погрешностью 0,01%
и амплитудой 4 В, мкс
1 10 8 3 2 2,55
2 3,8 9 6,4 2 2,6
4 2 12,8 10,6 2 2,6
5 1,8 12,8 10,6 2 2,6
8 1,8 12,8 10,6 2 2,6
10 1,8 12,8 10,6 2,2 2,6
16 1,6 12,8 12,8 2,3 2,6
20 1,3 12,8 9,1 2,3 2,8
32 1,8 12,8 13,3 2,3 3
50 0,9 9,1 7,1 2,4 3,8
64 0,6 4 3,5 3 6
100 0,38 4 3,5 4,4 7
128 0,35 2,5 2,5 4,8 9
200 0,23 2,3 2 6,9 10

Входной аналоговый мультиплексор имеет два входных канала в PGA112 и PGA113 и 10 входных каналов в PGA116 и PGA117. Ключи мультиплексора сконструированы так, что они выключаются быстрее, чем включаются, и таким образом устраняют любые проблемы с замыканием двух источников входных сигналов между собой. Четыре внутренних калибровочных канала мультиплексора включены в состав аналогового мультиплексора для упрощения калибровки системы. Эти калибровочные каналы позволяют скорректировать погрешности усиления и смещения нуля АЦП. Калибровка не устраняет погрешностей смещения и усиления PGA при усилении, большем 1, но для большинства систем должно быть заметным существенное увеличение точности АЦП. Кроме того, эти калибровочные каналы могут использоваться АЦП, чтобы контролировать минимально и максимально возможные напряжения от PGA. В архитектуре системы может быть предусмотрена индикация выхода входных аналоговых сигналов за установленные пределы.

Для использования калибровочных каналов вывод VCAL/CH0 должен быть постоянно подключен к опорному напряжению системного АЦП. Вывод VREF должен быть подключен к источнику с низким выходным сопротивлением по постоянному и переменному токам, чтобы обеспечить минимальные погрешности по усилению и нелинейности. Вывод VREF представляет максимальную нагрузку при G = 1, когда резистор 3,25 кОм включен между VOUT и VREF. Для 5–В системы при AVDD/2 = 2,5 В источник, подключенный к выводу VREF, должен отдавать минимум 2,5 В/3,25 кОм = 0,7 мА для VOUT, изменяющегося от «земли» до +5 В.

Аналого–цифровые преобразователи (АЦП) имеют две погрешности, которые могут быть легко устранены калибровкой на уровне системы. Это погрешность усиления и погрешность смещения нуля. На рис. 6 показана типовая передаточная функция 12–разрядного АЦП. Аналоговое входное напряжение изменяется по оси X в диапазоне от нуля до (VREF_ADC−1МЗР), где VREF_ADC — опорное напряжение для АЦП. Ось Y — шестнадцатеричный эквивалент цифровых кодов результатов аналого–цифрового преобразования. Пунктирная красная линия показывает идеальную передаточную функцию с представлением нулевого напряжения как 0000 и представлением (VREF_ADC−1МЗР) как 0FFFh. Сплошная синяя линия показывает погрешность смещения нуля. Хотя сплошная синяя линия включает в себя и погрешность смещения нуля, и погрешность усиления, при напряжении на аналоговом входе, равном нулю, может быть измерено напряжение смещения нуля VZ_ACTUAL. Штриховая черная линия представляет функцию передачи с погрешностью усиления. Штриховая черная линия эквивалентна сплошной синей линии без погрешности смещения нуля и может быть определена при использовании VZ_ACTUAL и VZ_IDEAL. Разница между штриховой черной и пунктирной красной линиями — погрешность усиления. Погрешности усиления и смещения нуля могут быть рассчитаны по известным выходным сигналам при нулевом и полном входных сигналах. Эти расчетные погрешности используются для коррекции отсчетов АЦП с целью устранения погрешностей усиления и смещения нуля. На практике нулевое входное напряжение (0 В) или максимальное входное напряжение (VREF_ADC−1МЗР) не всегда может быть измерено из–за наличия собственных погрешностей смещения нуля и усиления АЦП. Однако если выполнить измерения достаточно близко к максимальному и нулевому значениям входного сигнала, «нуль» и «диапазон» могут быть откалиброваны очень точно, в предположении идеально линейной передаточной функции АЦП. Для калибровки «нуля» выбирается 10% VREF_ADC, а для калибровки «диапазона» — 90% VREF_ADC.

Рис. 6. Передаточная функция АЦП
Рис. 6. Передаточная функция АЦП

На рис. 7 показан пример гибкости масштабирования входа PGA. VIN0 — источник входного переменного сигнала с амплитудой 100 мВ, который подключен по переменному току к CH0. PGA112/PGA113 включена с напряжением питания VS, равным +5 В, и VREF, равным с VS/2 (+2,5 В). VCH0 — входное напряжение с амплитудой 100 мВ, смещенное по уровню и центрированное на VS/2 (+2,5 В). При конфигурировании PGA113 с усилением 20 для вывода CH0 амплитуда выходного напряжения VOUT составит 2 В относительно VS/2 (+2,5 В). Для входа CH1 усиление G = 1; через резистивный делитель и резистивную цепь можно задать ±5 В или 0 В. Такая установка обеспечивает биполярность при масштабировании одиночного входа. VREF_ADC — это опорное напряжение для АЦП, подключенного к выходу PGA112, PGA113.

Рис. 7. Масштабирование входа PGA
Рис. 7. Масштабирование входа PGA

Во всех моделях используется стандартный последовательный периферийный интерфейс (SPI), поддерживающий режимы 0,0 и 1,1.

Структура порта ввода/вывода для PGA116, — PGA117 показана на рис. 8. CS, DIN и SCLK — это КМОП–входы с триггером Шмитта. DIN имеет источник тока 10 мкА на «землю», чтобы обеспечивать связь в гирлянде из нескольких PGA116, PGA117. DOUT — логический — КМОП–выход. Когда CS в единичном состоянии, DOUT находится в высокоимпедансном состоянии. Когда CS принимает низкий уровень, DOUT находится в состоянии проводимости.

Рис. 8. Структура цифрового порта ввода/вывода PGA116, PGA117
Рис. 8. Структура цифрового порта ввода/вывода PGA116, PGA117

Как показано на рис. 9, в PGA112, PGA113 цифровой выход и цифровой вход объединены на выводе DIO. DIN — это только вход, а DOUT — цифровой выход с тремя состояниями. DIO имеет источник тока 10 мкА на «землю», чтобы предотвратить состояние плавающего вывода в системах с высокоимпедансной SPI–линией DOUT. Когда CS в единице, встроенный элемент DOUT в высокоимпедансном состоянии. Когда CS в нуле, состояние DIO зависит от предшествующей действенной связи через SPI; либо DIO становится выходом, чтобы синхронизировать данные, или остается входом, чтобы получать данные.

Рис. 9. Структура цифрового порта ввода/вывода PGA112, PGA113
Рис. 9. Структура цифрового порта ввода/вывода PGA112, PGA113

PGA116 и PGA117 поддерживают включение гирляндой с полной способностью к чтению/записи. Это позволяет уменьшить число используемых выводов порта ввода/вывода микроконтроллера. Схема из двух последовательно включенных устройств показана на рис. 10, хотя в гирлянду может быть включено любое количество устройств. Используются общие линии — SCLK и CS в SPI для всех устройств в гирлянде. В режим связи данные перегоняются через каждое устройство в гирлянде с использованием соответствующих выводов DIN и DOUT. PGA112 и PGA113 могут быть использованы как последнее устройство в гирлянде, если приемлем режим только с записью, поскольку PGA112, PGA113 не имеют отдельного вывода DOUT, чтобы подключать к выводу микроконтроллера DIN для чтения данных в такой конфигурации.

Рис. 10. Соединение микросхем гирляндой
Рис. 10. Соединение микросхем гирляндой

Чтобы одновременно обеспечить широкополосность и большое усиление PGA112, PGA113 и PGA116, PGA117, следует соблюдать рекомендации по проектированию печатной платы и системы в целом.

Каждый вывод питания отдельно шунтируется на «землю» керамическим конденсатором, подключаемым непосредственно к выводам питания и «земли» микросхемы в том же слое печатной платы. Переходные отверстия можно использовать для подключения к слоям «земли» и питания. В такой конфигурации сохраняются паразитные индуктивные цепи, локально шунтирующие PGA. Хорошим решением в практике аналогового конструирования считается применение танталовых конденсаторов большого номинала для шунтирования каждого вывода питания.

Следует размещать VOUT и проводники других цепей с низким выходным сопротивлением подальше от входных каналов мультиплексора с их высоким входным сопротивлением. Плохая разводка сигнальных цепей может вызвать положительную обратную связь, нежелательную генерацию или чрезмерные выбросы и колебания при ступенчатом изменении сигналов. Если входные сигналы сильно зашумлены, входные каналы мультиплексора следует разделить охранными проводниками с любой стороны сигнальных проводников. Охранные проводники соединяются с «землей» около PGA и в точке входа сигнала в печатную плату. В многослойных платах нужно обеспечить отсутствие проводников, параллельных входным цепям мультиплексора, в смежных слоях; емкостная связь с другими слоями может вызвать проблемы. Для изоляции входных сигнальных проводников от сигнальных проводников используются слои «земли» в других слоях.

Кроме того, цифровые сигналы PGA следует сгруппировать и развести по возможности подальше от аналоговых входных сигналов мультиплексора. Цифровые сигналы являются сигналами с малыми временами нарастания и спада при низком выходном сопротивлении их источников и легко воздействуют на высокоомные входы входных каналов мультиплексора. Эта связь может создать нежелательный шум на выходном сигнале.

Входные каналы мультиплексора являются высокоомными, в комбинации с большим усилением может появиться нежелательный шум. Рекомендуется использовать низкоомные источники сигналов (<10 кОм), а также шунтировать входные каналы мультиплексора керамическими конденсаторами емкостью более 100 пФ непосредственно на входах мультиплексора. Низкое сопротивление источника и шунтирующий конденсатор, установленный непосредственно на входе канала мультиплексора, минимизируют взаимопроникновение между каналами, вызванное паразитной емкостной связью между смежными проводниками печатной платы и межвыводными емкостями.

На странице сайта Texas Instruments в Интернет http://focus.ti.com/general/docs/newproducts.tsp?&contentType=3&releasePeriod=29 перечислены все новинки фирмы. Среди последних новинок:

  • TDA2036D1 — монофонический усилитель D класса с выходной мощностью 2,5 Вт на нагрузке 8 Ом, выполненный в виде кристалла с шариковыми выводами. Коэффициент полезного действия на мощ ности 0,4 Вт достигает 88%.
  • TPA6047A4 — стереофонический усилитель для головных телефонов с напряжением питания 5 В и выходной мощностью 2 Вт на нагрузке 4 Ом. Коэффициент нелинейных искажений не превышает 0,1% при выходной мощности 1 Вт. Конструктивно выполнен в 32 выводном корпусе QFN.
  • PCM1690 и PCM1691 — 24 разрядные 8 канальные аудио ЦАП с частотой выборок до 192 кГц с диф ференциальными и одиночными выходами соответственно, предназначенные для применения в вы сококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре.
  • PCM1789 — 24 разрядный стерео/аудио ЦАП с частотой выборок до 192 кГц с дифференциальны ми выходами, с несколькими аудио и цифровыми управляющими интерфейсами.
  • TLV320AIC3204 и TLV320AIC3254 — микромощные низковольтные стерео/аудиокодеки с програм мируемыми входами и выходами.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке