Современные продукты компании Analog Devices.
Операционные и специализированные усилители

В 2015 г. компания Analog Devices (ADI, г. Норвуд, штат Массачусетс, США) отмечает свой полувековой юбилей, находясь при этом на вершине успеха в области технологий обработки сигналов и преобразования данных. Основателями ADI являются выпускники Массачусетского технологического института (MIT) Рэймонд Стата (Raymond S. Stata Ph. D., рис. 1) и Мэтью Лорбер (Matthew Lorber, покинул компанию в 1969 г.). В компании, расположенной тогда в г. Кембридже (шт. Массачусетс), работали 46 сотрудников.

Рис. 1. Рэймонд Стата

Первыми продуктами компании были модульные операционные усилители моделей 101, 102 (рис. 2а, б), 103, 201, 202. Приборы тогда собирались вручную — на печатные платы устанавливались дискретные транзисторы, резисторы и конденсаторы, собранные узлы устанавливались в корпус и заливались компаундом. Компания изначально взяла курс на экспорт своей продукции в другие страны, и в 1966 г. открыла первый зарубежный офис продаж в Великобритании, второй (в 1968 г.) — в ФРГ, затем во Франции и Японии… К 1971 г. 35% продаж было проведено за пределами США [1].

Рис. 2.
а) Операционный усилитель Model 102;
б) операционный усилитель Model 102

ADI уже почти полвека вносит заметный вклад в распространение знаний в области аналоговой и цифровой техники. Начиная с 1967 г. компания издает ежемесячный журнал Analog Dialogue (рис. 3), первый номер журнала за апрель 1967 г. открывается статьей Р. М. Гитлина (R. M. Gitlin) — президента компании American Aerospace Controls, Inc. Сам Рэймонд Стата в первые годы работы ADI проводил занятия с пользователями по применению операционных усилителей компании, а также опубликовал ряд статей в различных журналах и отдельных руководств по применению операционных усилителей (ОУ) Analog Devices, некоторые из которых востребованы и в настоящее время [2].

Рис. 3. Обложка журнала Analog Dialogue

В 1969 г. ADI приобрела компанию Pastoriza Electronics, специализирующуюся на разработке и производстве АЦП и ЦАП, а в 1970 г. в каталоги компании уже внесены первый 12‑разрядный тонкопленочный АЦП ADC12QM с пленочными резистивными цепями (рис. 4) и первый 12‑разрядный прецизионный ЦАП DAC12QZ с подстраиваемыми пленочными резисторами (рис. 5). В 1971 г. г‑н Стата становится президентом ADI, приобретается разработчик линейных полупроводниковых приборов и микросхем Nova Devices и выпускается первая монолитная микросхема (ОУ AD101), произведенная самой компанией.

Рис. 4. АЦП ADC12QM

Рис. 5. ЦАП DAC12QZ

В 70‑е годы наблюдается бурный рост компании по всем направлениям — по объему и географии продаж, строительству производственных мощностей и расширению номенклатуры выпускаемых продуктов. Например, впервые выпущены: AD520 — инструментальный усилитель в интегральном исполнении (1972 г.); AD7570 — КМОП АЦП (1975 г.); AD537 — монолитный преобразователь напряжение/частота (1976 г.); AD565 — 12‑разрядный быстродействующий ЦАП с токовым выходом (1978 г.).

В конце семидесятых пост генерального менеджера компании занял Джерри Фишман (Jerrald Fishman, 1945–2013 гг., с 1991 г. — президент ADI, рис. 6). С его именем связывают коммерческие успехи ADI в последние 20 лет, при нем объем продаж компании впервые превысил $1 млрд (1996 г.), а фирма Analog Devices стала признанным лидером отрасли [3].

Рис. 6. Джерри Фишман (Jerrald Fishman)

В 80‑е годы уверенное развитие компании и появление новых технологических решений продолжилось. Впервые была применена лазерная подгонка резисторов непосредственно на полупроводниковых пластинах, что позволило значительно снизить цены на прецизионные преобразователи данных и интегральные усилители различных типов. В 1985 г. внедрены ключевые технологии изготовления микросхем — процесс BiMOS II (интеграция биполярных и полевых транзисторов на одном кристалле) и CB (применение комплементарных биполярных транзисторов). В 1988 г. ADI выходит на рынок бытовой электроники, выпустив ЦАП AD1856 для звуковых трактов проигрывателей компакт-дисков. Из нескольких сотен продуктов, выпускаемых компанией, можно отметить, например, впервые выпущенные микросхемы:

• AD574 — первый однокристальный 12‑разрядный АЦП с микропроцессорным интерфейсом (1980 г.);
• AD585 — первый прецизионный монолитный усилитель с УВХ (1984 г.);
• ADSP‑2100 — цифровой сигнальный процессор (1987 г.);
• AD640 — однокристальный широкополосный логарифмический усилитель (1989 г.).

В 1990 г. ADI приобрела компанию Precision Monolithics, Inc. (PMI) — ведущего разработчика и производителя прецизионных микросхем с префиксами OP, DAC, REF для обработки аналоговых и смешанных сигналов. PMI была основана выходцами из Fairchild Semicoductor Марвином Рудином (Marv Rudin) и Гартом Уилсоном (Garth Wilson)) в 1969 г., в ней работали такие известные разработчики ИМС, как Дэн Дули (Dan Dooly), Джерри Бризи (Jerry Bresee), Джордж Эрди (George Erdi). Первый интегральный однокристальный ЦАП MonoDac01, разработанный в PMI, поставлялся в Лабораторию Реактивного Движения (JPL) для первого лунного модуля по цене $200 каждый. Ряд микросхем PMI, включая ЦАП monoDac02 (1972 г.), появились за несколько лет до появления сопоставимых по качественным характеристикам микросхем любых других компаний и долгие годы оставались в производстве ADI [4].

В 1992 г. ADI впервые вошла в список самых крупных по выручке компаний мира по данным Fortune Global 500 (под № 493). Годом позже ADI была сертифицирована по стандарту качества QS‑9000 и создала группу по разработке ВЧ/СВЧ полупроводниковых приборов (Radio Frequency Group). 1994 г. ознаменовался выпуском первого цифрового сигнального процессора ADSP‑21060 семейства SHARC, последние типы которого до сих пор фигурируют в каталогах компании. Это семейство доминирует на рынке DSP с плавающей точкой благодаря высокой производительности ядра и памяти, а также большой пропускной способности интерфейсов ввода/вывода и отличному соотношению цена/качество. В том же году была основана группа по разработке микросхем управления питанием (Power Management Group).

В 1995 г. ADI вошла в процесс создания совместного с TSMC и другими партнерами предприятия по производству 8″ (200 мм) полупроводниковых пластин в г. Камас (штат Вашингтон, рис. 7). Запущенный в 1996 г. завод является дочерним предприятием компании TSMC под названием «Фабрика 11». Участие в капитале предприятия обеспечило ADI полный доступ к передовым технологиям крупнейшего в мире производителя полупроводниковых пластин для микропроцессоров, DSP и других микросхем (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, TSMC). К началу XXI в. продукты Analog Devices получили распространение практически во всех областях электроники и вычислительной техники, в промышленной, военной, медицинской, измерительной аппаратуре и др.

Рис. 7. Завод TSMC в г. Камас

В 2001 г. компания приступила к выпуску семейства цифровых сигнальных процессоров с фиксированной точкой Blackfin (ADSP-BF53xx). 16‑разрядные процессоры этого семейства сочетают в себе свойства DSP с малым энергопотреблением и микропроцессоров общего назначения. Приборы выполнены на основе «микросигнальной архитектуры», разработанной совместно с компанией Intel. В том же году выпущены первые микросхемы семейства PULSAR, представляющие собой 16‑разрядные (впоследствии — 18‑разрядные) АЦП последовательного приближения высокой производительности [5].

В 2000‑х гг. Analog Devices интенсивно расширялась, причем в немалой степени за счет приобретений ряда профильных компаний, в том числе: Staccato Systems, Inc. (разработка музыкального ПО); AudioAsics A/S (разработка микросхем частного применения для встраиваемых аудиорешений); Integrant Technologies (разработка цифровых радиочастотных решений для рынка мобильной связи и телевидения); Lyric Semiconductor Inc. («Фаблесс» — разработчик микрочипов, построенных на основе вероятностей для коррекции ошибок по собственному алгоритму Lyric Error Correction). Летом 2014 г. была завершена сделка по приобретению корпорации Hittite Microwave Corporation — одного из крупнейших разработчиков высокопроизводительных ВЧ-микросхем, модулей и приборов в диапазоне частот до 110 ГГц для технически сложных и ответственных приложений, в том числе военного и космического назначений [6].

Социальные аспекты работы компании

Компания Analog Devices придает важное значение программам обучения студентов, инженеров и других заинтересованных лиц, использующих продукты ADI в своих разработках. Университетская программа для студентов и преподавателей технических вузов включает обеспечение образовательного процесса комплектами аппаратных средств по доступным ценам, бесплатным програм-мным обеспечением, образцами продуктов ADI и доступом к виртуальной аудитории пользователей продуктов ADI (онлайн-сообществу).

Программа технического сотрудничества позволяет заказчикам продуктов компании упростить подключение быстродействующих и прецизионных преобразователей данных, ВЧ-микросхем и других компонентов ADI к ПЛИС и микропроцессорам. Работа в этом направлении ведется совместно с ведущими производителями FPGA, в том числе Altera и Xilinx. В рамках программы предлагаются полнофункциональные типовые проекты и средства проектирования для FPGA, включая коды HDL, драйверы устройств и готовые примеры проектов, что позволяет быстро создавать прототипы и существенно сократить сроки разработки. Компания предлагает отладочные наборы и средства разработки проектов Kintex KC705, Virtex VC707, Zynq ZC702, ZedBoard (на основе FPGA Xilinx), а также отладочные платы BeMicro на основе FPGA Altera [8].

Будущее компании: лицом к потребителю

Analog Devices выпускает широчайшую номенклатуру микросхем, МЭМС, датчиков и других полупроводниковых продуктов практически для любых электронных приложений. Однако бóльшая часть продуктов компании предназначена для промышленных, телекоммуникационных и специальных приложений (авиация, космос, оборона, безопасность и т. п.). В каталоге компании на март 2015 г. представлены сотни типов микросхем и электронных компонентов. По назначению продукты представлены в следующих категориях [9]:

• Усилители и линейные микросхемы. В данную категорию включены различные типы ОУ общего назначения, прецизионные ОУ и специализированные усилители (логарифмические, инструментальные, изолирующие и др.).
• Преобразователи данных — АЦП, ЦАП, преобразователи частоты, микросхемы для счетчиков электроэнергии, интегрированные приемники, декодеры, кодеки и другие типы преобразователей данных.
• Звуковые и видеомикросхемы — АЦП, ЦАП, звуковые усилители, видеоусилители, буферы и фильтры, видеокодеры, декодеры, кодеки, микросхемы для видео- и фотокамер.
• Широкополосные микросхемы (усилители, кодеки, сплиттеры, матричные коммутаторы).
• Микросхемы для тактовых генераторов и схем синхронизации — восстановители данных и тактовых сигналов, генераторы и распределители тактовых сигналов.
• Микросхемы для оптоволоконных приложений — драйверы лазерных диодов, логарифмические усилители и ограничители, трансимпедансные усилители.
• Микросхемы для интерфейсов CAN, LVDS, MLVDS, RS‑232, RS‑485/422, USB, цифровые изоляторы, HART-модемы, изолированные драйверы затворов, изолированные АЦП, расширители портов ввода/вывода, контроллеры клавиатуры для мобильных устройств.
• Микросхемы управления питанием — микросхемы для зарядных устройств, устройств управления питанием дисплеев, подсветки, линейные и импульсные стабилизаторы, контроллеры импульсных преобразователей, драйверы затворов МОП и IGBT, контроллеры горячей замены, стабилизаторы с многоканальными выходами, супервизоры, преобразователи напряжения на переключаемых конденсаторах.
• Микропроцессоры и DSP — процессоры семейств Blackfin, Sharc, TigerSharc, SigmaDSP и серий ADSP‑21xxx, CM4xxx, аналоговые микроконвертеры.
• ВЧ/СВЧ-компоненты и микросхемы — ВЧ/ПЧ-усилители, аттенюаторы, фильтры, детекторы, приемопередатчики, цифровые синтезаторы сигналов и модуляторы, смесители, перемножители, схемы ФАПЧ с ГУН, высокочастотные ключи, устройства защиты.
• Коммутаторы и мультиплексоры — аналоговые ключи, преобразователи уровней, устройства защиты, матричные переключатели аналоговых сигналов.
• МЭМС и датчики физических величин — МЭМС-акселерометры, гироскопы, инерциальные измерительные модули, датчики температуры, магнитные датчики.
• Специальные изделия — компоненты военного и космического назначения, подсистемы ввода/вывода, автоматическое тестовое оборудование, усилители датчиков LVDT, гибридные компоненты.

Следует отметить, что одни и те же микросхемы и компоненты могут фигурировать в различных категориях продуктов, как, например, усилители: они также имеются в категориях звуковых и видеомикросхем, широкополоcных компонентов, микросхем для ВОЛС, ВЧ/СВЧ-компонентов и специальных изделиях.

Усилители и линейные компоненты

Номенклатура продуктов в категории усилителей и линейных компонентов насчитывает сотни позиций, микросхемы этой категории классифицированы по особенностям схемного построения и параметрам и разделены на пять групп (в скобках указано число типов микросхем на декабрь 2014 г.):

• операционные усилители (343);
• быстродействующие ОУ (f_гр более 50 МГц): с обратной связью по току (103), со входом на полевых транзисторах (343), с большим выходным током (28), дифференциальные (41), класса Rail-to-Rail (6), высоковольтные (38), малошумящие (28);
• прецизионные ОУ (f_гр менее 50 МГц): с U_пит≥12 В (241), с током смещения ≤100 пА (55), с напряжением смещения менее 1 мВ, с током потребления менее 1 мА/канал (83), с U_пит ≤6 В (55), малошумящие (61), класса Rail-to-Rail (64), с нулевым дрейфом (223);
• специальные линейные компоненты: компараторы (35), линейные изоляторы (2), логарифмические и ограничивающие усилители (11), транзисторные сборки (5), умножители/делители (10), преобразователи среднеквадратичного значения (6), интерфейсы термопар (8), источники опорного напряжения (96).

Рассмотрим также специализированные усилители:

• широкополосные (140);
• усилители/сплиттеры для кабельного телевидения (9);
• накопители заряда (1);
• усилители-датчики тока (25);
• усилители разности (16);
• дифференциальные (100);
• инструментальные (61);
• изолирующие (6);
• логарифмические/детекторы (19);
• ВЧ/ПЧ (39);
• усилители выборки-хранения (9);
• трансимпедансные (7);
• с переменным КУ (41);
• видеоусилители/буферы (40).

При выборе необходимых усилителей различного типа следует учесть, что в группу операционных усилителей включены все ОУ группы быстродействующих и прецизионных ОУ. Микросхемы в этих группах разделены по какому-либо одному признаку, поэтому, например, малошумящие усилители могут быть и с малым током смещения, с U_пит ≥12 В, и т. д. В таблице приведены типовые классификационные параметры новых операционных усилителей компании, представленных в 2013–2014 гг. Рассмотрим особенности некоторых новых ОУ, приведенных в таблице, и микросхем из группы специализированных усилителей более подробно.

Примечание (обозначения, принятые в DVI): f_п — полоса пропускания по уровню 3 дБ (–3 дБ Bandwith); f_т — частота единичного усиления (GBP); V_os — напряжение смещения нуля; p — скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate); θN — плотность шума (Voltage Noise Density); I_q — максимальный ток потребления на усилитель; I_b — входной ток смещения; PSRR — коэффициент ослабления пульсаций источника питания; CMRR — коэффициент ослабления синфазного сигнала; RRIO — класс Rail-to-Rail по входу и выходу

ADA4805-1, ADA4805-2

ADA4805-1, ADA4805-2 (data sheets 2014 г.) — одиночный и сдвоенный малошумящие ОУ, с малым температурным коэффициентом, класса Rail-to-Rail. Микросхемы отличаются малым током покоя (не более 500 мкА), высоким быстродействием и малым напряжением смещения нуля. Основные области применения микросхем: драйверы для прецизионных АЦП (AD7982/84/85 и другие), схемы с батарейным питанием, микромощные активные фильтры, портативные терминалы POS, активные считыватели RFID-меток, фотоумножители, формирователи опорного напряжения для АЦП. Основные особенности и параметры микросхем приведены в таблице, кроме того, следует отметить:

• малое напряжение смещения нуля (не более 125 мкВ) и малый температурный коэффициент V_os (не более 1,5 мкВ/°С, типовое значение 0,2 мкВ/°С);
• полное соответствие параметров при напряжении питания 3, 5 и ±5 В;
• высокую производительность: полоса пропускания 105 МГц при К_у= +1, скорость нарастания не менее 160 В/мкс, время установления не более 35 нс (на рис. 8 приведены АЧХ ОУ при различных К_у);

Рис. 8. АЧХ ОУ ADA4805

• режим Rail-to-Rail («от шины до шины») по выходу;
• плотность шума не более 5,9 нВ/√Гц и 0,6 пА/√Гц (на частоте 100 кГц), шумовая характеристика ОУ приведена на рис. 9, действующее напряжение шумов в диапазоне 0,1–10 Гц не превышает 44 нВ;

Рис. 9. Шумовая характеристика ОУ ADA4805

• малый уровень искажений: –114/–140 дБн (уровень 2/3 гармоник при размахе выходного сигнала 2 В на частоте основного сигнала 20 кГц);
• высокое входное сопротивление (50 МОм) и малая емкость (1 пФ), схема включения ОУ в качестве драйвера АЦП AD7980 приведена на рис. 10;

Рис. 10. Включение микросхемы ADA4801

• диапазон рабочих температур –40…+125 °С.

Предусмотрена поставка микросхем в различных корпусах — SOT‑23 (2,9×1,6 мм) и SC70 (2×1,25 мм) для ADA4805-1 и MSOP (3×3 мм) и LFCSP (3×3 мм) для ADA4805-2.

ADA4870

ADA4870 (2014 г.) — быстродействующий высоковольтный ОУ с большим выходным током. Микросхема предназначена для применения в качестве драйверов затворов мощных полевых транзисторов и IGBT, ультразвуковых и пьезоизлучателей, PIN-диодов, ПЗС-матриц, а также в автоматизированном тестовом оборудовании (ATE), генераторах сигналов произвольной формы и других приложениях. Основные особенности и параметры микросхемы (кроме приведенных в таблице):

• высокая нагрузочная способность (отлично подходят для работы на нагрузки с малыми сопротивлениями и/или большими емкос-тями);
• диапазон напряжений питания — 10–40 В;
• выходной ток до 1 А;
• скорость нарастания выходного напряжения — 2500 В/мкс;
• уровень шума — не более 2,1 нВ/√Гц;
• полоса пропускания:
  • не менее 52 МГц на большом сигнале (U_{вых п-п} = 20 В),
  • 70 МГц на малом сигнале (U_{вых п-п} = 2 В, К_у = +2);
• встроенная схема защиты от коротких замыканий и от перегрева.

ADA4961

ADA4961 (2014 г.) — широкополосный усилитель с малыми искажениями и цифровой регулировкой усиления (RF DGA). Структура микросхемы приведена на рис. 11, в ее состав входит аттенюатор, затухание которого регулируется по параллельному или последовательному (SPI) интерфейсам, и широкополосный усилитель с К_у = 15 дБ. Основные области применения микросхемы, выполненной по технологии BiCMOS: драйверы для высокопроизводительных 10–16‑разрядных АЦП класса GSPS (гигавыборки в секунду), ВЧ/ПЧ-блоки с регулируемым усилением, линейные драйверы, измерительное оборудование, системы спутниковой связи, преобразователи данных, системы военного назначения. Основные особенности и параметры микросхемы:

Рис. 11. Структура микросхемы ADA4961

• ширина полосы пропускания –3,2 ГГц (по уровню –3 дБ) и 1,8 ГГц (–1 дБ);
• скорость нарастания выходного напряжения 12 000 В/мкс;
• диапазон регулировки коэффициента передачи — –6…+15 дБ (по напряжению), –3…+18 дБ (по мощности);
• уровень интермодуляционных искажений 3‑го порядка IMD3 –90 дБн (на несущей 1 ГГц);
• фактор шума 5,6 дБ (при К = 15 дБ);
• дифференциальный вход — 100 Ом, выход — 50 Ом;
• напряжение питания 3,3–5 В, ток потребления (в зависимости от режима) от 7,2 до 154 мА (U_пит = 5 В).

Микросхема выполнена в корпусе LFCSP‑24 размерами 4×4×0,75 мм и работоспособна в диапазоне температур –40…+85 °С. Зависимости коэффициента передачи микросхемы от частоты при различных значениях затухания аттенюатора и U_пит = 5 В приведены на рис. 12.

Рис. 12. АЧХ микросхемы ADA4961

ADL6010

ADL6010 (2014 г.) — быстродействующий детектор огибающей с большим динамическим диапазоном. Структура микросхемы, выполненной в корпусе LFCSP‑6 (2×2 мм), приведена на рис. 13, на входе (R_вх = 50 Ом) микросхемы установлен широкополосный детектор огибающей ВЧ/СВЧ сигналов, выполненный на основе запатентованной матицы из восьми диодов Шоттки, нагруженный на логарифмический усилитель для обеспечения линеаризации кривой детектирования. Выходное напряжение микросхем с высокой точностью пропорционально уровню входной мощности, диапазон рабочих частот находится в пределах 500 МГц – 43,5 ГГц. Микросхема обеспечивает измерение ВЧ/СВЧ-мощности в пределах от –30 до +15 дБмВт. Зависимости выходного напряжения и ошибки микросхемы от входной мощности на частоте 15 ГГц при различных температурах приведены на рис. 14. Как видно из характеристик, минимальные отклонения (±1 дБ) от линейности переходной характеристики микросхемы сохраняются в диапазоне температур –40…+85 °С. Микросхема может с успехом применяться для измерения энергетики ВЧ/СВЧ-трасс «точка–точка», в СВЧ и радарных измерительных системах. Основные особенности и параметры микросхемы:

Рис. 13. Структура микросхемы ADL6010

Рис. 14. Характеристики микросхемы ADL6010

• диапазон измерения мощностей непрерывной несущей (41–47 ±1) дБ (в зависимости от частоты);
•  минимальная измеряемая мощность от –24 дБм (на частоте 43,5 ГГц) до –30 дБм (1–25 ГГц);
• полоса пропускания усилителя микросхемы 40 МГц;
• время нарастания импульсной характеристики детектирования 4 нс;
• ток потребления 1,6 мА при напряжении питания 5 В.

Выводы

Резюмируя вышесказанное, еще раз отметим, что компания Analog Devices выпускает широчайшую номенклатуру микросхем, МЭМС, датчиков и других полупроводниковых продуктов практически для любых электронных приложений. Тем не менее наиболее значительная часть ассортимента выпускаемых компанией изделий предназначена для промышленных, телекоммуникационных и специальных приложений (авиация, космос, оборона, безопасность и т. п.). В статье мы рассмотрели только малую часть представленных в каталоге компании на март 2015 г. микросхем и электронных компонентов. Более подробную информацию можно найти на сайте компании.