Низковольтный rail-to-rail операционный усилитель LM7301, 10шт за $0.95.

<object>

Your browser doesn’t support objects

</object><—><object>

Your browser doesn’t support objects

</object>2003№8

Одной из основных тенденций рынка ИС операционных усилителей в настоящий момент является появление и широкое распространение так называемых rail-to-rail ОУ. Данным термином в зарубежной литературе принято классифицировать ОУ, диапазоны изменений выходного и синфазного входного напряжений которых занимают весь спектр значений, лежащих между уровнями питающих напряжений. Де-факто название rail-to-rail стало общепринятым и в отечественной литературе (см., например, [1]). Использование этого термина в предлагаемой статье применительно к ИС отечественного производства обусловлено стремлением авторов к привлечению внимания разработчиков, использующих импортные комплектующие и привыкших к терминологии зарубежных поставщиков.

С переходом на все более прогрессивные технологические процессы изготовления цифровых СБИС, с уменьшением минимального топологического размера происходит неизбежное снижение напряжения питания, а поскольку построить законченную систему только на цифровых элементах практически невозможно, то соответственно возрастают требования и к элементной базе аналого-цифрового интерфейса, основным компонентом которого был и остается ОУ. Стандартным ОУ общего назначения, как известно, присущи ограничения на диапазоны входных и выходных напряжений, из-за которых 2–3 В из номинала напряжения питания фактически оказываются потерянными при определении динамического диапазона системы. При двуполярном питании ±15 В это обстоятельство не создает заметных проблем, однако при построении современных аналого-цифровых систем используется однополярное питание 2,5, 3,3 и 5 В, что диктует применение только ОУ архитектуры rail-to-rail. В дальнейшем эта тенденция приведет к переходу на рабочие напряжения питания на уровне 1 В. Фирма Xilinx, например, уже объявила о выпуске нового семейства ПЛИС Spartan-3, изготавливаемого на пластинах диаметром 300 мм по технологии с топологическими нормами 90 нм и напряжением питания 1,2 В. Цена таких изделий составляет около $20 за кристалл с 1 миллионом вентилей (http://www.xilinx.com/spartan3), что фактически знаменует собой начало перехода на качественно новый уровень в области элементной базы сложных систем. Для работы в таких системах обычных ОУ rail-to-rail уже недостаточно, и становятся актуальными так называемые ОУ beyond-the-rails, работоспособные при входных синфазных сигналах, выходящих за рамки уровней шин питания [2].

Помимо фактора, обусловленного тенденцией к снижению напряжения питания цифровых СБИС, необходимо отметить, что неуклонно расширяется область экономичных низковольтных применений ОУ, таких, как портативная аппаратура с батарейным питанием, слуховые аппараты, тонометры, кардиостимуляторы и другие приборы медицинского назначения, портативные аудиоустройства, а также аппаратура специального применения.

Учитывая перечисленные факторы и тенденции, ФГУП «НЗПП с ОКБ» разработало на основе архитектуры rail-to-rail серию счетверенных КМОП ОУ, состоящую из четырех ИС: К1476УД1Т, К1476УД2Т, К1476УД3АТ, К1476УД3БТ. Каждая ИС содержит четыре программируемых КМОП ОУ с раздельными входами и выходами, имеющих общую цепь программирования рабочего режима и общий вход для перевода ИС в ждущий режим с малым потреблением (функция Standby). Программирование осуществляется выбором сопротивления одного внешнего резистора, включаемого между входом R ИС и положительным выводом источника питания.

Структурная схема одного ОУ ИС, отражающая общие признаки архитектуры rail-to-rail применительно к КМОП-технологии, приведена на рис. 1. Основной чертой, характерной для всех КМОП rail-to-rail ОУ, является построение входного дифференциального каскада на основе параллельного включения комплементарных дифференциальных пар МОП-транзисторов, за счет чего обеспечивается работоспособность ОУ в диапазоне синфазных входных напряжений, который может даже превышать пределы, установленные напряжениями шин питания (то есть обеспечивается режим beyond-the-rails), но на величину, не превышающую прямое падение напряжения на диодах входной защиты. По аналогичной структурной схеме реализованы отечественные КМОП ОУ серии 1446 [3], в состав которой входит счетверенный ОУ 1446УД3, являющийся ближайшим отечественным аналогом ОУ серии К1476УД…Т. Основным преимуществом ИС серии К1476УД…Т по отношению к ИС 1446-й серии являются улучшенные функциональные возможности (за счет программирования рабочего режима ОУ и наличия функции Standby). Первый фактор обеспечивает:

• универсальный характер ИС, ОУ которой, в зависимости от номинала одного внешнего резистора, может быть как микромощным, так и быстродействующим, причем переход от одного режима к другому может происходить в процессе работы ИС под воздействием внешнего управляющего сигнала;
• расширение области применения ОУ за счет новых нестандартных схемотехнических решений.

Второй из перечисленных выше факторов позволяет оптимизировать мощность потребления в системах с активным и пассивным режимами работы, например, в приемниках систем персонального радиовызова. Вопросам применения ИС серии К1476УД…Т, в том числе и нестандартным, имеющим определенные преимущества перед типовыми, посвящена отдельная статья, которая будет предложена вниманию читателей в ближайшее время.

Ближайшими зарубежными аналогами ИС серии К1476УД…Т являются ИС TLV2465 фирмы Texas Instruments (http://www.ti.com) и AD8594 от Analog Devices (http://www.analog.com). Оба аналога совместимы с ИС серии К1476УД…Т по выводам, имеют функцию Standby, но, поскольку возможность программирования в данных аналогах не предусмотрена, вывод № 8 16-выводного корпуса в них не используется (обозначен как NC — no connect). К1476УД…Т проигрывает названным зарубежным аналогам по единственному параметру — максимальному выходному току, но превосходит их по диапазону допустимых питающих напряжений, коэффициенту усиления по постоянному току и коэффициенту подавления синфазного сигнала. Это обусловлено тем, что для производства зарубежных аналогов используется КМОП-технология с меньшими топологическими нормами, на основе которой проще обеспечить большой выходной ток, но труднее сохранить точностные показатели и которая к тому же является более низковольтной. Недостатком серии К1476УД…Т является также планарный металлокерамический корпус типа 402.16, однако предприятие-изготовитель планирует переход на более современное конструктивное исполнение.

Структурная схема ИС К1476УД…Т приведена на рис. 2. Рабочий режим каждого ОУ ИС задается четырьмя напряжениями, которые вырабатывает общий для всех каналов блок BIAS. Назначение выводов описано в таблице 2.

Таблица 1. Электрические характеристики ИС серии К1476УД…Т при U_сс=5 В и Т=25 °С (предварительные) и предельно допустимые режимы работыПримечания:* При емкости нагрузки C_L=50 пФ** ΔU_out — разность между уровнем напряжения любой из шин питания и соответствующей границей диапазона линейности выходного напряжения.Таблица 2. Назначение выводов ИС серии К1476УД…Т

Основные технические характеристики ОУ серии К1476УД…Т приведены в таблице 1, а на рис. 3–5 приведены амплитудно-частотные характеристики ОУ с разомкнутой цепью обратной связи для трех значений программирующего тока.

ИС К1476УД1Т является базовым вариантом ОУ архитектуры rail-to-rail серии К1476УД…Т и изготавливается на основе стандартного технологического процесса КМОП. ИС К1476УД2Т выполнена по идентичной с ИС К1476УД1Т электрической принципиальной схеме, однако в технологический процесс ее изготовления введена дополнительная операция, что привело к заметному увеличению коэффициента усиления по постоянному току, но также и к ухудшению динамических параметров. ОУ ИС К1476УД3АТ, К1476УД3БТ отличается от базового варианта тем, что во входном дифференциальном каскаде работает только пара транзисторов одного типа, что, строго говоря, должно приводить к тому, что данное устройство не является rail-to-rail ОУ по входу. Однако благодаря тому, что входные дифференциальные пары спроектированы с учетом возможности работы в подпороговом режиме, практически трудно зафиксировать заметное отличие данного ОУ от остальных по диапазону синфазного входного сигнала. С другой стороны, существенным преимуществом этой ИС является заметно меньшее напряжение смещения, — у ИС К1476УД3АТ этот параметр не превосходит величины 1 мВ для всех четырех ОУ, расположенных на кристалле ИС.

Таким образом, анализ электрических характеристик ИС серии К1476УД…Т и их сравнение с параметрами отечественных и зарубежных аналогов свидетельствуют, что ОУ данной серии являются современными КМОП rail-to-rail ОУ, которые могут составить конкуренцию аналогичным изделиям ведущих мировых фирм-производителей на внутреннем рынке, особенно в тех областях, где имеются требования функционирования в жестких условиях эксплуатации.

Возвращаясь к вопросам системного характера, уже затронутым в начале статьи, отметим, что в последнее время наметилась тенденция к проектированию систем на кристалле на основе так называемых IP-модулей, под которыми понимаются законченные функциональные фрагменты системы, выполняющие типовые функции и имеющие тот или иной уровень реализации (алгоритмический, программный, уровень HDL-описания, схемотехнический, топологический). Такой подход позволяет пользователю библиотеки IP-модулей компоновать разрабатываемую им систему из этих модулей как их «черных ящиков», абстрагируясь от их структуры и используя интеллектуальные ресурсы, воплощенные в IP-модулях, сократить сроки и стоимость проектирования системы, а также снизить его риск. Поскольку уже сейчас более четверти всех проектируемых систем на кристалле являются аналого-цифровыми, а к 2006 году прогнозируется, что их доля достигнет 70% [4], то возрастающая актуальность аналоговых и аналого-цифровых IP-модулей, совместимых с идеологией «система на кристалле» (а значит, и с современными технологиями цифровых КМОП СБИС), становится очевидной. В этом аспекте, учитывая тот факт, что ОУ серии К1476УД…Т изготавливаются по стандартной цифровой технологии КМОП, данные ОУ могут рассматриваться как апробированные на практике IP-модули схемотехнического и топологического уровней, имеющие известный уровень параметров. Как топологический IP-модуль этот ОУ может использоваться при проектировании сложных аналого-цифровых БИС на основе технологии предприятия-изготовителя ИС серии К1476УД…Т, как схемотехнический IP-модуль ОУ может применяться в СБИС типа «система на кристалле», разрабатываемых на основе более прогрессивных технологий.

Литература

1. Русак А. Операционные усилители Rail to rail от STMicroelectronics // Компоненты и технологии. 2001. № 3.
2. Петров М. Аналоговые и аналого-цифровые микросхемы MAXIM // Компоненты и технологии. 2001. № 3.
3. Бирюков С. Операционные усилители серии КР1446 // Радио. 2001. № 1.
4. Денисенко В. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС // Компоненты и технологии. 2002. № 3.

Скачать статью в формате PDF  

Другие статьи по данной теме:

—>Назад Современные операционные усилители фирмы National SemiconductorsВперёд Как сделать «идеальный» операционный усилитель, или О том, как бывает полезно помнить закон Ома

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

15 июня 2018

управление питаниемTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Rail-to-rail ОУ чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. Вместе с тем, необходимо понимать, чем приходится расплачиваться за возможность их использования. На рисунке 4 показан входной каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-канальных транзисторов. P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из нижней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).

N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из верхней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рисунке 4 не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Большинство подобных двухкаскадных ОУ производства компании Texas Instruments (TI) разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам.

Рис. 4. Типовой входной каскад rail-to-rail содержит два N-канальных и пару P-канальных транзисторов

Входные P-канальные и N-канальные каскады отличаются значениями напряжения смещения (offset voltages). Если входной сигнал проходит через границу переключения каскадов, то это приводит к скачкообразному изменению напряжения смещения. Некоторые ОУ проходят заводскую лазерную подгонку или электронную подстройку для уменьшения напряжения смещения. Такая подгонка позволяет уменьшить скачок при переключении каскадов, однако не убирает его полностью. Схема, которая отвечает за переключение, в качестве базовой точки, использует положительное напряжение питания. При использовании питания 3,3 В это приводит к неприятному явлению – появлению средней точки (midsupply).

В большинстве приложений такое скачкообразное изменение смещения проходит незамеченным, однако для прецизионных схем это может стать проблемой. Также могут возникнуть искажения при работе с переменным сигналом, если такой сигнал пересекает точку переключения каскадов.

На рисунке 5 показан второй вариант реализации rail-to-rail-входов. Встроенный повышающий регулятор формирует для P-канального каскада напряжение, которое оказывается примерно на 2 В выше, чем напряжение питания. Использование повышенного напряжения позволяет с помощью единственного каскада работать с входным диапазоном rail-to-rail без каких-либо скачков.

Рис. 5. Входной каскад rail-to-rail с внутренним повышающим регулятором для питания P-канального каскада

Слова «повышающий преобразователь» для некоторых разработчиков звучат пугающе: «Разве эти преобразователи не шумят?» Однако наиболее современные модели производства TI стали заметно тише. Повышающий регулятор требует очень мало тока, так как используется только для питания входного каскада. Здесь не требуется дополнительных внешних выводов и конденсаторов – все интегрировано в ОУ. Уровень шума преобразователя оказывается меньше собственного широкополосного шума ОУ, и его редко можно увидеть во временной области. Однако устройства, анализирующие шумовой спектр этих ОУ, могут обнаружить в нем некоторые артефакты.

Не во всех приложениях требуется вход rail-to-rail. Инвертирующим усилителям и усилителям с неединичным коэффициентом усиления такой вход не нужен. И, тем не менее, его используют. Задумайтесь, действительно ли вам необходим rail-to-rail-усилитель? Многие инженеры предпочитают использовать их, чтобы не волноваться о выходе сигнала за рамки допустимого входного диапазона напряжений. Они применяют одни и те же ОУ во многих электронных узлах своих систем. Одни узлы требуют входа rail-to-rail, а другие – нет. Зная о существующих типах rail-to-rail и их особенностях, следует подходить к их выбору более осознанно. Если же возникают сомнения – всегда можно обратиться к инженерам на форуме TI E2E™ / Community Precision Amplifers.

Вот несколько примеров ОУ:

• OPA340 – ОУ с двухкаскадным входом и подгонкой напряжения смещения, 5,5 МГц, rail-to-rail КМОП;
• OPA343 – ОУ с двухкаскадным входом без подгонки напряжения смещения, 5,5 МГц, rail-to-rail КМОП;
• OPA320 – ОУ с однокаскадным входом и повышающим регулятором, 20 МГц, rail-to-rail КМОП;
• OPA322 – ОУ с однокаскадным входом и повышающим регулятором, 20 МГц, rail-to-rail КМОП.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

Часть 1: Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу.

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

••• Низковольтный rail-to-rail операционный усилитель LM7301 в пятипиновом корпусе SOT23.ВНИМАНИЕ, есть РЕЗУЛЬТАТЫ! =)) За эти смешные деньги, вы получите головное кружение, шустряк, и десять штучек в блистере, что как раз — разумное количество. Доставка в RU бесплатная, в KZ платно. (Ну и что, все равно мне было надо). Поскольку, просто так кинуть ссылку — скушно, то ниже будет небольшой разбор предмета поста=)Говоря просто, — мне всегда казалось, что ОУ мне не хватает, особенно низковольтных, особенно сравнительно быстродействующих. А когда год назад я узнал о существовании rail-to-rail усилителей то я понял, что для счастья мне решительно не достает именно их. Тех, которые могут иметь размах выходного напряжения от почти нуля – (в случае однополярного питания) до плюсовой шины, в том же случае.внимание, после нажатия на ЭТУ ссылку запустится скачивание справочного листка к микросхеме. Паяли ли вы когда ни будь корпус SOT23? Час назад, я тоже. Заранее, вместе с микросхемами, я заказывал переходники на DIP8, — в моих планах нет намерения переходить на совсем уж мелочь, я решил обойтись малой кровью. Итак, зацените сравнительный размер этой крохи. 2мм на 3мм. И купленные к ним переходники на привычный DIP8. Выглядят ободряюще вменяемыми, но тоже, не особо большими — 13мм на 12мм. Я не обладатель ни спец.оборудования(даже минимального уровня), ни каких-то особенных навыков, и потому, я был в больших сомнениях на счет того, получится ли у меня из этой затеи что-либо вообще. Не сказать что я не готовился к битве заранее, и потому интересовался, а как народ справляется с подобными работами, ведь не один я такой. Нашел, метод называется «волна припоя», это меня ободрило как факт, что такое в принципе возможно. Если перевести контакты корпуса 5pinSOT23 на DIP8, то получается некоторое облегчение. По спецификации DIP8 выводы 4, 5 и 8 не используются, а это означало, что у меня будет место для маневра. Когда я это понял, я взялся за паяльник. Вначале, я конечно напартачил и вместо игнорирования контакта 4, проигнорировал контакт 1. При чем, два раза, иттвм. Нащелкал фоток, нафотошопил, а потом (перекурив), присмотрелся еще раз и ба..! Надо или ВСЁ(переставлять и саму микросхему и четвертый штырек на место первого) переделывать, или выкидывать и браться за новенькие. Жаба победила – переделал оба раза. Почистив старой зубной щеткой смоченной в уайт-спирите плату, я взялся за лупу, исправил непропай и вот что (в конце концов) получилось на просвет. Уже получившийся готовый модуль, я вколол в тот же ученический ластик, оказалось очень удобно. Видно что: — контакты 1 и 2 соответствуют посадочным местам; — контакт 3 микросхемы спарен с контактами 3 и 4 на переходнике, но; — но, контактый штырек 4 я не впаивал – проблема решена; — контакт 4 микросхемы соответствует контакту 6 переходника, но; — но хотя и спарен с контактом 5 на переходнике — штырька я не впаивал =) — тоже самое с контактом 5 микросхемы, что соответствует контакту 7 на переходнике. Я, конечно, пытался лепить припой легкими касаниями жала, и даже, пользовался зажимом для бумаги в качестве теплоотвода, но однако, возник конечно вопрос, а что с самими микросхемами? Не извлекая модуль из резинки, я подключил +5V согласно схеме, и замерил ток холостого хода, — 2ма. Хм… вообще-то, многовато если руководствоваться справочным листком. Но а поскольку ОУ сравнительно высокочастотный, я предположил что он самовозбудился. Я видел на схемах, что в случае неполного использования сдвоенных или счетверенных ОУ, свободные усилители (для минимизации холостого потребления тока от источника) переводят в режим повторителя, перевел я и LM7301. Замкнув выход на инвертирующий вход по схеме буфера я сразу увидел, что ток упал до 0.5ма. Живой-живой! Моё спец.оборудование. Пластиковый штангенциркуль пришел сегодня — то что нужно. Измерять дырочки и странные отверстьица с его помощью, мне как раз.total: Всё у меня получилось. Ура!p.c. Наверное, на днях, я припаяю все оставшиеся 8 микросхем. Но если первые две, я напаивал вначале сами микросхемы, а уже после штырьки, то теперь, сделаю наоборот – вначале штырьки, за тем, заготовку вколю в резинку и с удобствами, примажу микрушку =) — переходники брал тут. — штангенциркуль вот.p.c.с. что-то зачесалось мне еще по одному десятку rail-to-rail ОУ, правда, в корпусе DIP8, но кажется, перечешется. или… =)хох, гарпы(минусёры) с палками поналители, ну привет вам — существа =) Рейтинг купона или акции: +32 Используемые источники:

• https://www.kit-e.ru/articles/usil/2003_8_58.php
• https://www.compel.ru/lib/90099
• https://mysku.ru/blog/discounts/65331.html