Новинки компании Texas Instruments — усилители и преобразователи данных

Введение

Наиболее востребованными среди разработчиков полупроводниковых усилительных устройств являются операционные, а также инструментальные усилители. Прошедший год нельзя назвать особенно урожайным на усилители Texas Instruments (TI), тем не менее вышедшие новинки являются, c нашей точки зрения, вполне достойными внимания и, надеемся, будут интересны нашим читателям. Обзор новых усилителей будем по возможности сопровождать сравнением с продуктами основного конкурента — компании Analog Devices (ADI).

Аналогичный подход будет использоваться при рассмотрении выпущенных в 2013 г. преобразователей данных. Основное внимание будет уделено аналого-цифровым преобразователям (АЦП) с архитектурой последовательного приближения, а также дельта-сигма АЦП.

Операционные усилители с напряжением питания до 5 В

В прошедшем году завершен выпуск новой серии OPAy313: вышли одно- и четырехканальные версии после выпущенного ранее двухканального OPA2313 («y» в маркировке TI означает число каналов, в одноканальной версии отсутствует). Выпуск этого семейства можно рассматривать как усовершенствование популярного операционного усилителя (ОУ) общего назначения OPAy348. В таблице 1 представлены характеристики нового усилителя в сравнении с конкурентом от Analog Devices AD8542. По существу, AD8542 является полным аналогом OPA2348, поэтому предшественника серии OPAy313 можно считать также участвующим в сравнении. Видно, что у OPAy313 заметно улучшена точность, уменьшен входной ток и шумы, а также значительно увеличен коэффициент ослабления синфазной помехи (КОСП). Расширен диапазон рабочих напряжений, традиционно для новых операционных усилителей TI верхний диапазон рабочих температур поднят до +150 °С.

Примечания.
* — диапазон температур, в котором гарантируются заявленные параметры, составляет –40…+125 °С.
** — здесь и далее приводится стандартная цена, указанная на сайте производителя [1, 2].

Основная идея нового ОУ OPAy317 — недорогой сверхэкономичный усилитель, выполненный по топологии с нулевым температурным дрейфом. Его можно рассматривать как бюджетную версию известного усилителя OPA333. Ближайший конкурент от ADI потребляет почти на порядок больше, при этом имеет существенно меньшее напряжение смещения, сходный дрейф, несколько большее быстродействие и тот же уровень шумов. Ситуация с диапазоном напряжений питания и рабочих температур аналогична предыдущему сравнению.

Усилители с размахом напряжения питания 30 В и выше

В 2013 г. компания TI продолжила развитие линейки ОУ с промышленным диапазоном напряжения питания, имеющих вход на полевых транзисторах с изоляцией p‑n‑переходом. Вышел одноканальный усилитель OPA172, отличительной чертой которого является, прежде всего, низкий температурный дрейф напряжения смещения наряду с невысокой стоимостью. Те же качества выделяют вышедшие ранее OPA170 и OPA171. Основное отличие OPA172 — повышенное быстродействие и низкие шумы (и, соответственно, возросшее энергопотребление). Конкурентом выступает ОУ ADA4610-2A, для сравнения приведены также параметры OPA2170. В предыдущей статье, посвященной усилителям TI, ADA4610-2A неплохо конкурировал с OPA2141 [3], опережая его в точности и несколько проигрывая по шумам. Сравнение усилителя ADI с OPA172 показывает несколько иную картину: усилитель TI значительно превосходит его в точности, уступая в уровне низкочастотного шума (табл. 2). Новый усилитель не позиционируется производителем как rail-to-rail по входу. Однако строение входного каскада допускает входное синфазное напряжение до шин питания, при этом характеристики не гарантируются вблизи верхней шины питания. Многоканальные версии OPA172 ожидаются до конца 2014 г.

Примечание. * — Диапазон температур, в котором гарантируются заявленные параметры, составляет –40…+125 °С.

Другой усилитель с промышленным диапазоном рабочего напряжения — OPA192 — позиционируется производителем как представитель нового поколения. Сочетание характеристик действительно внушает уважение, например типичное напряжение смещения для усилителя с полевым входом составляет всего 5 мкВ. При этом следует учесть, что тут не идет речь о технологии Zero Drift. OPA192 является продуктом усовершенствованной технологии e‑trim, основу которой составляет программируемая балансировка токов плечей входного каскада. Ближайший конкурент от ADI ADA4610-2B при заметно большей цене имеет на порядок меньшую точность. Входной каскад OPA192 обеспечивает как синфазное, так и дифференциальное (!) напряжение от шины до шины. Особенности строения входного каскада хорошо иллюстрируются зависимостью напряжения смещения от синфазного напряжения (рис. 1). Видно, что передача управления от p‑канальных транзисторов к n‑канальным происходит при напряжении 2–3 В от верхней шины питания, при этом имеет место увеличение напряжения смещения до 50–70 мкВ. Кроме того, заметно, что p‑канальная пара сбалансирована гораздо лучше. Это следует учитывать при разработке прецизионных систем, тем более что поведение температурного дрейфа напряжения смещения совершенно аналогично.

Рис. 1. Зависимость напряжения смещения от синфазного входного напряжения (напряжение питания ±18 В)

OPA192 характеризуется также отличным сочетанием быстродействия и потребления: при скорости нарастания выходного сигнала 20 В/мкс ток покоя составляет около 1 мА. Традиционно оба новых усилителя имеют преимущество перед конкурентами в диапазоне напряжений питания и рабочих температур.

АЦП последовательного приближения

За прошедший год компания TI полностью обновила семейство 16‑битных одноканальных АЦП с однополярным питанием. Выпущены ADS8860/2/4/6 (АЦП с однополярным входом) и ADS8861/3/5/7 (с дифференциальным входом). Скорости преобразования составляют соответственно 1000, 680, 400 и 100 тыс. выборок в секунду. Новое семейство пришло на замену АЦП ADS831x/2x и отличается большей точностью и гораздо меньшим энергопотреблением. Кроме того, выпущена серия экономичных 18‑битных преобразователей ADS8881/3/5/7 с тем же набором скоростей преобразования и дифференциальным входом. Полезной особенностью всех новых АЦП является их совместимость по выводам. Аналогом новых АЦП выступает известное семейство PulSAR от компании Analog Devices. Результаты сравнения представлены в таблице 3. Представлены самые быстрые версии преобразователей, более медленные версии отличаются исключительно скоростью преобразования, остальные характеристики идентичны. Заметим, что не удалось найти конкурента для ADS8861, ADI в данном случае предлагает лишь версию с однополярным входом.

Сравнение характеристик показывает, что преобразователи TI чуть превосходят конкурента по точности, заметно экономичнее и дешевле. Интересно отметить, что отношение сигнал/шум ADS8861 (96,5 дБ) достигло значения, очень близкого к теоретическому пределу (97,2 дБ). Новые АЦП отлично масштабируются по соотношению «энергопотребление–скорость». Так, при скорости преобразования 10 000 выб./с потребление составит всего 55 мкВт.

Преобразователи с дельта-сигма архитектурой

Семейство ΔΣ-АЦП пополнилось двумя новыми преобразователями ADS1120/1220 (рис. 2) с разрядностью 16/24 бита. Новые АЦП функционально близки к хорошо зарекомендовавшим себя преобразователям ADS1147/1247, упрощена схема коммутаций входов/выходов, при этом добавлен прецизионный температурный сенсор.

Рис. 2. Блок-схема АЦП ADS1220/ADS1120

Результаты сравнения с ΔΣ-преобразователем ADI AD7782 представлены в таблице 4. При сопоставимой цене 24‑битный АЦП TI отличается гораздо большей функциональностью, предлагая дополнительно встроенный источник опорного напряжения, источники тока, усилитель с программируемым коэффициентом усиления и датчик температуры.

Примечание. * G — коэффициент усиления входного усилителя.

Погрешность температурного сенсора не превышает 0,5 °С. При помощи программируемых источников тока можно питать внешние сенсоры, будь то мост или резистивный датчик температуры. Интересной особенностью является возможность коммутации аналоговой земли — например, для отключения питания моста. Встроенный источник опорного напряжения (ИОН) имеет температурный максимальный дрейф 40 ppm/°С, при необходимости возможно подключение внешнего ИОН.

Заключение

Несмотря на небольшое количество новинок, компания TI выпустила ряд интересных усилителей, сочетание характеристик которых зачастую затрудняет поиск конкурирующего решения. Полностью обновлена линейка одноканальных 16‑битных и 18‑битных АЦП последовательного приближения, предлагается широкий выбор скоростей преобразования. Выпущены новые бюджетные ΔΣ-АЦП с расширенной функциональностью, оптимизированные для использования с датчиками температуры и мостовыми преобразователями.