Операционные усилители в ногу со временем

   Сегодня операционные усилители (ОУ) - один из ключевых компоновочных блоков практически любой электронной системы. С момента выпуска в 1963 году фирмой Fairchild Semiconductor микросхемы мA702 - первого популярного монолитного ОУ - разработки подобных устройств направлены на постоянное совершенствование архитектурных и конструктивных решений, освоение современных сложнейших технологий. В результате на рынке появились устройства с отличными параметрами (высокими выходными характеристиками, низкими значениями потребляемой мощности и нелинейных искажений и т.п.) при низких значениях напряжения питания и малых габаритах микросхем. Рабочие характеристики этих дешевых современных компоновочных блоков, мировой объем продаж которых достигает 2 млрд. долл., весьма разнообразны и удовлетворяют любым требованиям системотехников, И пока кто-нибудь не изобретет "идеального ОУ", выбор нужного прибора оказывается не простой задачей.

Фейерверк характеристик

   Характеристики микросхем ОУ - граничная частота, динамический диапазон, нелинейные искажения и шумы, потребляемая мощность - постоянно улучшаются, несмотря на необходимость снижения напряжения питания и габаритов микросхем, диктуемую огромным рынком портативных систем. Если полоса пропускания популярного в 70-е годы усилителя мА741 составляла 1 МГц при токе потребления 10 мА, то сейчас разработчики могут заказать усилитель с полосой пропускания 350 МГц и рабочим током 1 мА/канал (микросхемы одинарного/сдвоенного ОУ типа AD8038/8039 фирмы Analog Devices).

   Сегодня разработчики ОУ сталкиваются с двумя основными тенденциями: ростом популярности микросхем с однопо-лярным источником питания и стремительным ростом применения мобильных устройств. Это хорошо согласуется с тенденциями в области цифровой техники. Но при работе от однополярного источника уменьшаются динамический диапазон и полный размах (rail-to-rail) сигнала на входе и выходе, ухудшается отношение сигнал-шум. В области устройств с относительно малым быстродействием усилия разработчиков направлены на повышение уровня интеграции усилителей с помощью цифровых методов подгонки параметров и регулировки напряжения смещения нуля наряду с улучшением рабочих характеристик при низких значениях напряжения питания.

   Самым низким током потребления (типичное значение 600 нА, максимальное 1 мкА) на сегодняшний день характеризуются ОУ с rail-to-rail входом и выходом (т.е. с архитектурой, позволяющей работать с полным размахом, от отрицательного до положительного уровня, входного, выходного или обоих сигналов) семейства МСР6141/2/3/4 фирмы Microchip Technology. Работают они от однополярного источника питания на напряжение 1,4-5,5 В. Граничная частота этих микросхем равна 100 кГц. ОУ стабильны при усилении 10 В/В и выше. Выпускаются в восьми- и 14-выводных корпусах PDIP/SOI^SSOP. Модификация одинарного ОУ типа МСР6041Т/ОТ поставляется в миниатюрном корпусе SOT23, что позволяет использовать его не только в устройствах с малым потреблением энергии, но и в малогабаритных системах. Цена -0,44-0,49 долларов.

   Повышение частоты современных ОУ, уже достигающей сотен мегагерц и даже нескольких гигагерц, происходит при значительном снижении их шума. Примером могут служить SiGe ОУ типа МАХ2640/2641 фирмы Maxim Integrated Products. Это - дешевые сверхмалошумящие устройства, предназначенные для работы в сотовых, PCS- и GPS-системах, а также в системах связи промышленного, научного и медицинского (ISM) диапазона 2,4 ГГц. Коэффициент шума этих микросхем составляет 0,9 дБ на частоте 900 МГц (МАХ2640) и 1,3 дБ на 1,9 ГГц (МАХ2641). ОУ работают от однополярного источника питания на напряжение 2,7-5,5 В и потребляют всего 3,5 мА (см.таблицу 1).

   Среди малошумящих устройств следует отметить микросхемы одинарных/сдвоенных/счетверенных ОУ семейства LT623x фирмы Linear Technology, уровень шумов которых составляет 1,1 нВ/√Гц при токе потребления на канал 3,4 мА (LT6230) и 2 нВ/√Гц при токе 1 мА (LT6232). ОУ семейства сочетают низкие шумы с шириной полосы пропускания 215 МГц, скоростью нарастания выходного сигнала 70 В/мкс при напряжении питания 3,3; 5 или ±5 В. Одинарные ОУ типа LT6230/ LT6230-10 поставляются в шестивыводных корпусах SOT-23, сдвоенные LT6231 - в восьмивыводном SO и тонком безвыводном корпусе с малым шагом контактов, счетверенный ОУ - в 16-выводном SSOP. Операционные усилители семейства LT623x находят применение в УЗ-усилителях, малошумящих маломощных усилителях, активных фильтрах, схемах возбуждения АЦП, буферных усилителях с rail-to-rail архитектурой.

Таблица 1

   Достаточно малыми шумами (7-8 нВ/√Гц) наряду с низким напряжением смещения нуля (0,85 мВ) характеризуются одинарные/сдвоенные/счетверенные ОУ с rail-to-rail выходом серии LMV77x крупнейшего поставщика микросхем этого класса - фирмы National Semiconductor. Ширина полосы ОУ серии составляет 3,5 МГц, напряжение питания - 2,7-5 В. Другой важный параметр этих ОУ - расширенный температурный диапазон от -40 до 125°С, что обеспечивает их широкое применение в самом разнообразном прецизионном, малошумящем, низковольтном, портативном оборудовании. Поставляются микросхемы в корпусах SC70-5 (LMV771), MS0P-8 и SOIC-8 (LMV772), TSSOP-14 (LMV774) по цене 0,56 долл. при закупке партии в 1 тыс. штук.

   Нельзя не отметить и недавно выпущенную фирмой National Semiconductor микросхему сверхмалошумящего (входной шум 0,92 нВ/√Гц) радиационно стойкого ОУ с обратной связью по напряжению типа LMH6624. Усилитель выполнен на КНИ-подложке по запатентованному фирмой комлпементарному биполярному процессу VIP10 и выдерживает общую дозу облучения 300 Крад/Si. Напряжение питания однополярного источника 5-12 В. Помимо низкого уровня шумов ОУ характеризуется чрезвычайно низкими погрешностями по постоянному току (точность достижения выходным напряжением уровня напряжения питания - ЮОмкВ, дрейф выходного напряжения - +0,1 мкВ/°С). А высокая граничная частота -1,5 ГГц - делает микросхему перспективной для применения в ВЧ-системах с высокими требованиями к уровню нелинейных искажений. Стабильный коэффициент преобразования при замкнутой цепи обратной связи превышает 10 как в инвертирующей, так и неинвер-тирующей конфигурациях усилителя. ОУ LMH6624 может использоваться в усилителях считывания измерительного оборудования, УЗ-предусилителях, магнитных накопителях, активных широкополосных фильтрах, профессиональных аудиосистемах, оптоэлектронной аппаратуре и медицинском диагностическом оборудовании.

Рис. 1. Зависимость коэффициента искажений ОУ типа AD8099 от частоты

   В последнее время работы по совершенствованию ОУ все больше стимулирует появление быстродействующих преобразователей данных с высоким разрешением. Так, в ОУ типа AD8099 фирмы Analog Devices, предназначенном для управления 16-разрядными преобразователями, улучшены сразу два основных параметра, служащих источниками погрешности схем усилителей: снижены уровни вносимых искажений (до -90 дБ на частоте 10 МГц) и шума (до 0,95 нВ/√Гц) (рис. 1). Утверждается, что такое сочетание пока не достигнуто ни в одном другом ОУ. Ток потребления составляет 15 мА, скорость нарастания выходного сигнала - 1600 В/мкс, граничная частота при коэффициенте преобразования 10 равна 5 ГГц. При коэффициенте преобразования, равном 2, скорость нарастания выходного напряжения составляет 6 В/мкс. Изготовлен усилитель по запатентованной технологии XFCB (extra Fast Complementary Bipolar process - сверхбыстрый комплементарный биполярный процесс). Температурный диапазон работы - от -40 до 125°С.

   Для улучшения эксплуатационных характеристик и стабильности AD8099 монтируется в корпус LFCSP с выводной рамкой размером с кристалл (3x3 мм). Модификация расположения выводов корпуса позволила снизить их взаимную индуктивность, вызываемую взаимодействием положительного входа и отрицательного вывода источника питания. Кроме того, в корпусе предусмотрены два выхода, предназначенные для снижения паразитных параметров цепи обратной связи. ОУ может поставляться и в традиционном восьмивыводном корпусе SOIC-типа.

   Новый ОУ успешно работает с высокопроизводительными прецизионными АЦП фирмы Analog Devices, в том числе и с семейством преобразователей последовательного приближения PulSAR, превосходящих в два раза имеющиеся преобразователи этого типа по быстродействию и низкому уровню потребляемой мощности. Благодаря своим характеристикам по постоянному и переменному току AD8099 также перспективен для применения в автоматическом тестовом оборудовании, контрольно-измерительных системах и системах сбора данных. Серийное производство нового ОУ фирма планировала начать в ноябре 2003 года. Цена при закупке партии в 1 тыс. шт. - 1,98 долларов.

Rail-to-rail

   Тенденция к снижению напряжения питания наряду с желанием изготовителей конечной аппаратуры получить "универсальный" ОУ приводит к появлению все большего числа микросхем ОУ с архитектурой rail-to-rail. Но по мере снижения напряжения питания перепад напряжения уменьшается, и разработчикам приходится уделять все больше внимания проблемам сохранения минимального уровня нелинейных искажений и высокого разрешения. При перепаде напряжения питания в пределах от -12 до +12 В минимизировать нелинейные искажения за счет удержания сигнала ОУ в этих пределах не трудно. Но при снижении напряжения питания до менее 5 В (а уже появились микросхемы, работающие от 1-В источника питания) сохранять низкий уровень искажений и высокое разрешение становится все сложнее. В общем случае разрешение ОУ с rail-to-rail архитектурой может ухудшиться на порядок в сравнении с традиционными усилителями. Тем не менее, для ряда применений заказчики требуют поставки ОУ с rail-to-rail входом и выходом. Поэтому все больше поставщиков операционных усилителей обращаются к такой архитектуре.

   В 2002 году фирма Texas Instruments выпустила семейство высокопроизводительных КМОП-микросхем ОУ, работающих с однополярным источником питания на низкое напряжение: 1,8 (+0,9) - 5,5 (±2,75) В. К достоинствам этих миниатюрных ОУ семейства ОРА363/364 относится низкий коэффициент ослабления синфазного сигнала (типичное значение -90 дБ). Это достигнуто благодаря модификации однокаскадного rail-to-rail входного блока ОУ с управляемым источником тока (рис.2). Максимальное значение напряжения смещения нуля микросхем семейства равно 500 мкВ, рабочий ток -750 мкА/канал. Предусмотрена возможность отключения выхода усилителя, при этом потребляемый ток не превышает 1 мкА/канал. Скорость нарастания выходного сигнала составляет 5 В/мкс.

Рис. 2. Упрощенная блок-схема ОУ семейства ОРА 363/364

   ОУ семейства предназначены в основном для управления АЦП со средним быстродействием (до 100 кГц), таких как 14-бит ADS8324, работающий от источника питания на напряжение 1,8 В и выполняющий 50 Квыборок/с (рис.3).

Рис. 3. Непосредственное управление АЦП типа ADS 8324

   Одинарные ОУ поставляются в MicroSIZE- корпусах типа SOT23-5 и в корпусах SO-8, сдвоенные устройства - в корпусах MSOP-8, MSOP-110 и SO-8, счетверенные - в TSSOP-14 и SO-14. Цена от 0,55 до 0,8 долл. при закупке партии в 1 тыс. штук.

Рис. 4. Конфигурация с тремя ОУ. использующая микромощные усилители в качестве прецизионных усилителей контрольно-измерительного оборудования

   Нельзя не упомянуть микросхемы ОУ с rail-to-rail входом и выходом типа МАХ 4194/4197 фирмы Maxim Integrated Products. Эти усилители отличаются высокой точностью и широкой полосой пропускания (250 кГц на уровне 3 дБ для МАХ 4194). Ослабление синфазного сигнала составляет 115 дБ. МАХ 4194 имеет регулируемый коэффициент усиления, остальные усилители серии поставляются с фиксированным усилением. При этом в последних трех ОУ предусмотрена возможность переключения в режим отключения выхода, при котором ток потребления составляет 8 мкА (в рабочем режиме ток потребления всех микросхем серии - 93 мкА). Работают ОУ от однополярного источника питания на напряжение 2,7-7,5 В или от двухполярного на ±(1,35-3,75) В. Размах rail-to-rail входов и выходов может достигать от 200 мВ ниже отрицательной шины до 1,1 В положительной шины. Для получения высокой точности по постоянному току ОУ серии включаются по традиционной трехусилительной схеме (рис.4). Поставляются микросхемы в восьмивыводном корпусе SO по цене 1,69 долл. при закупке 1 тыс. штук.

Какая технология предпочтительнее?

   Современные микросхемы ОУ, помимо традиционной биполярной технологии, выполняются по КМОП-, БиКМОП-, комплементарной биполярной (КБ), кремний-германиевой и арсенидгаллиевой технологиям, причем, как и во всей микроэлектронике, предпочтение отдается КМОП-схемам. Правда, сегодня КМОП-технология уже не обеспечивает требуемые в некоторых применениях точность и размах напряжения. Более того, большая емкость затвора больших МОП-транзисторов может вызвать проблемы, связанные со стабильностью работы или рассеиваемой мощностью. С другой стороны, КБ-микросхемы превосходят КМОП-устройства по сочетанию таких параметров, как частотная стабильность, малые искажения и рассеиваемая мощность. Высокое пробивное напряжение быстродействующих биполярных транзисторов позволяет создавать КБ-микросхемы драйверов с большим перепадом выходного напряжения. Вот почему около 70% современных ОУ с rail-to-rail архитектурой выполнены по комплементарной биполярной технологии. Так, КБ-микросхемы ОУ с обратной связью по току и rail-to-rail выходом типа LT6210 фирмы Linear Technology отличаются впечатляющими характеристиками, в том числе возможностью регулировки тока потребления в пределах от 300 мкА до 6 мА в зависимости от ширины полосы, изменяемой в пределах 10-200 МГц (рис.5). Для установления нужного значения тока потребления достаточен один резистор или источник тока. Это облегчает выбор оптимального соотношения быстродействие-потребляемая мощность для конкретного проекта. Благодаря сочетанию малой потребляемой мощности, высокого быстродействия, малых уровней шума (6,5 нВ/√Гц) и нелинейных искажений (-70 дБ на 1 МГц) LT6210 перспективен для применения в самом разнообразном оборудовании - от портативного до быстродействующих систем передачи данных. Скорость нарастания выходного напряжения ОУ составляет 700 В/мкс, время установления - 20 не. Работает микросхема от однополярного источника питания на напряжение 3-12 В или от двухполярного источника на ±( 1,5 - 6) В. Поставляется в шестивыводном корпусе типа ThinSOT по цене 1,2 долл. при закупке партии в 1 тыс. штук.

Рис. 5.а. Применение микросхемы ОУ типа LT621O в качестве усилителя с программируемой обратной связью по току при регулировке тока потребления в пределах 300 мкА-6 мА

Рис . 5.б Зависимость усиления от частоты на малом сигнале при различных значениях тока потребления

Таблица 2

   Тем не менее, все больше поставщиков отдают предпочтение КМОП-микросхемам, особенно при создании ОУ с rail-to-rail архитектурой для видеосистем таких портативных устройств, как цифровые камеры, персональные цифровые помощники и сотовые телефоны. Например, все ОУ фирмы Microchip Technology с rail-to-rail входом и выходом выполнены по КМОП-технологии.

   Удачный пример быстродействующих КМОП-микросхем ОУ с уровнем шума 6 нВ/√Гц на частоте 100 кГц (уровень шумов традиционных ОУ подобного типа - 20-30 нВ/√Гц) - семейство усилителей ОРА 725/726 фирмы Texas Instruments, работающих от однополярного 12-В источника питания. Отличные характеристики по переменному току - граничная частота 20 МГц, скорость нарастания выходного сигнала 30 В/мкс - делают эти ОУ пригодными для применения в системах связи, высококачественной аудиоаппаратуре и активных фильтрах. Работают ОУ от однополярного источника на 4-12 В или от двухполярного источника на ±(2-6) В.

А что же корпус?

   Одна из важных проблем современных высокопроизводительных ОУ - уменьшение габаритов корпуса. Производители отдают предпочтение корпусам с поверхностным монтажом, корпусам, сопоставимым по размерам с кристаллом, и монтажу методом перевернутого кристалла. Сегодня самые популярные корпуса для ОУ -SOIC-8, SOT-23 и SC70. Поскольку по мере уменьшения габаритов и роста быстродействия ОУ длина выводов и размеры контактных площадок оказывают все большее влияние на характеристики микросхемы, некоторые изготовители предпочитают монтировать приборы в безвыводные корпуса, такие как двойной плоский безвыводной (Dual Flat No-lead - DFN) корпус, в котором поставляется 150-мкА прецизионный ОУ с rail-to-rail выходом типа LT6011 фирмы Linear Technology (рис.6). Площадь основания этого корпуса размером 3x3x0,8 мм такая же, как и у корпуса SOT-23. Помимо малых габаритов LT6011 отличается низким тепловым сопротивлением, что делает его весьма перспективным для применения в системах с ограниченными размерами. Температурный дрейф напряжения смещения нуля не превышает 0,8 мкВ/°С. Цена ОУ 1,95 долл. в партии из 1 тыс. штук.

Рис. 6. Безвыводной DFN-корпус для монтажа прецизионного ОУ типе LT6011 фирмы Linear Technology

   Тенденция к уменьшению габаритов корпусов стимулирует создание конструкций, объединяющих все большее число функций (преобразователи данных и другие устройства). В 2002 году фирма National Semiconductor выпустила первые "встраиваемые в микрофон усилители" типа LMV1012/1014 для малогабаритных электретных конденсаторных микрофонов (ЭКМ) (рис.7). Они предназначены для замены используемых сегодня усилителей на полевых транзисторах с целью увеличения срока службы батарей, повышения помехоустойчивости и, тем самым, улучшения эксплуатационных характеристик микрофона. До сих пор размеры смонтированных в корпус микросхем усилителей не позволяли их размещать в ЭКМ. Специалисты National Semiconductor сумели усовершенствовать конструкцию схемы и корпус, значительно улучшив такие параметры ОУ, как чувствительность, нелинейные искажения и ток потребления.

Рис. 7. Принципиальная схема ОУ для встроенного микрофона (а) и встраиваемого электретного микрофона (б)

   Усилители серии LMV1012 работают при напряжении питания 2,2-5,0 В с фиксированными значениями коэффициента усиления по напряжению 7,8, 15,6 и 23,8 дБ. Эти ОУ предназначены для двухвыводных ЭКМ и могут непосредственно заменять предыдущие усилители на полевых транзисторах. Суммарное значение коэффициента нелинейных искажений микрофона, выполненного на базе LMV1012, составляет 0,09%, отношение сигнал-шум превышает 55 дБ, а потребляемый ток не превышает 180 мкА. Такие микрофоны найдут применение в мобильных средствах связи, вспомогательном оборудовании автомобилей, сотовых телефонах и PDA. Поставляется LMV1012 в монтируемом на поверхность микрокорпусе толщиной 1,3 или 1,8 мм с четырьмя контактными наплавлениями по цене 0,39 долларов.

   Усилители типа LMV1014 используются в трехвыводных малошу-мящих ЭКМ. Они потребляют ток менее 40 мкА, выходной импеданс их равен 200 Ом. Коэффициент подавления изменения напряжения питания превышает 60 дБ, отношение сигнал-шум - 55 дБ. Усилитель предназначен для микрофонов с высокой помехоустойчивостью, работающих при малых токах и используемых в системах беспроводной связи Bluetooth-стандарта, портативных записывающих устройствах и PDA. Поставляется в монтируемом на поверхность микрокорпусе с четырьмя контактными наплавлениями по цене 0,49 долл. при закупке партии в 1 тыс. шт.

Нужна помощь? обращайтесь

   Так как же пробраться к нужному прибору в джунглях ОУ, описываемых более чем 30 параметрами? Большинство поставщиков микросхем ОУ пытаются облегчить решение этой задачи, предоставляя средства онлайнового поиска ОУ с нужными параметрами. Так, фирма Maxim Integrated Products предлагает web-услугу, позволяющую получить по электронной почте через 24 часа после запроса квалифицированную рекомендацию специалиста по применению ОУ.

   Еще дальше пошла фирма National Semiconductor, объявившая в конце 2003 года о создании онлайнового средства проектирования, ускоряющего поиск, разработку и тестирование многих типов 0У, используемых в медицинском, научном, промышленном и автомо-бильном оборудовании. Средство "Простого конструирования уси-лителей" (Amplifiers Made Simple) на базе созданного инженерами фирмы инструментария ведет быстрый и аккуратный поиск ОУ в портфеле аналоговых изделий National Semiconductor. Оно дает пользователю мгновенный доступ к SPICE-моделям, данным о па раметрах и информации о корпусах, позволяя разработчику одно временно сравнивать эксплуатационные характеристики многих приборов. Пользователь выбирает нужную стандартную топологию и вводит требования разрабатываемой системы, после чего Amplifiers Made Simple ведет поиск наиболее подходящих ОУ среди изделий фирмы и проектирует специализированную схему. Средст-во Amplifiers Made Simple позволяет на базе 60 типов ОУ фирмы проектировать более 450 систем для четырех различных областей применения. В текущем году фирма планирует расширить возмож-ности онлайновой системы проектирования с тем, чтобы она могла оперировать полным списком выпускаемых фирмой ОУ, включаю-щим 420 приборов, и разрабатывать более чем 4 тыс. схем для 30 различных приложений. Доступ к средству Amplifiers Made Simple на! сайте www.national.com можно получить бесплатно.

   Следует отметить, что при проведении онлайнового выбора суще-ствует опасность избыточного "урезания" числа рассматриваема приборов, что может привести к исключению заслуживающих внимание устройств. Поэтому поиск рекомендуется начинать с изучения таких "не подлежащих уступке" параметров, как напряжение питания, ширина полосы пропускания и напряжение смещения нуля, при этом следует убедиться, что они приведены для требуемого диапазона температур. Зачастую полезно бегло просмотреть небольшую таблицу параметров с тем, чтобы выявить компромиссные решения, принимаемые изготовителями микросхем. Для портативного оборудования важнейшие параметры - входной ток и плотность упаковки, для контрольно-измерительного - входное напряжение смещения нуля, ток смещения или характеристики синфазного сигнала.

   При выборе ОУ следует также помнить, что даже у одного и того же поставщика параметры приборов могут измеряться при различных условиях (на разных частотах, при разных значениях напряжения питания и нагрузки и т.п.). Часто большое значение имеют и не указываемые в спецификации параметры, например, какова реакция выхо-| да усилителя на превышение входным напряжением значения напряжения питания. А что если нагрузка становится емкостной? Поставщики высококачественных ОУ не только указывают такие параметры в своих спецификациях, но и проверяют их в ходе разработки прибора.

   Пользователю, не достаточно хорошо знакомому с ОУ, нужна микросхема, принимающая выходной сигнал датчика и обрабатывающая его "на месте". Это значит, что микросхема должна содержать как ОУ, так и преобразователь данных. Не все производители считают объединение ОУ и датчиков на одном кристалле хорошей идеей, поскольку при этом ухудшается гибкость конструкции. Но учитывая тенденцию к увеличению уровня интеграции ОУ, можно сказать, что появление микросхемы с ОУ, датчиками и всеми необходимыми устройствами обработки сигнала - лишь дело времени.

Источники:

1. Electronic Design, Nov.24, 2003.
2. Материалы фирм Analog Devices, Linear Technology, Microchip Technology, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments.

Автор: М. Гольцова