Операционные усилители компании Analog Devices (часть 1)

Историческая справка

Первыми продуктами компании Analog Devices Inc (ADI), выпущенными в 1965 году, были модульные операционные усилители (ОУ) - модели 101, 102 (см. рис. 1), 103, 201,202. Следует отметить, что компания уже изначально была ориентирована на экспорт своей продукции в другие страны, в 1966 году было открыт первый зарубежный офис продаж в Великобритании, второй в 1968 году - в ФРГ, затем во Франции и Японии, к 1971 году 35 % продаж было проведено за пределами США.

Рис. 1. Модульный операционный усилитель 102

В 1990 году ADI приобрела компанию Precision Monolithics, Inc (PMI) - ведущего разработчика и производителя прецизионных микросхем с префиксами OP, DAC, REF, предназначенных для обработки аналоговых и смешанных сигналов. PMI была основана выходцами из Fairchild Semiconductor Марвином Рудиным (Marv Rudin) и Гартом Уилсоном (Garth Wilson) в 1969 году, в ней работали известные разработчики ИМС Дэн Дули (Dan Dooly), Джерри Бризи (Jerry Bresee) и Джордж Эрди (George Erdi). Первый интегральный однокристальный ЦАП MonoDac01, разработанный в PMI, поставлялся в Лабораторию Реактивного Движения (JPL) НАСА для лунных модулей космических кораблей Аполлон по цене 200 долларов каждый. Ряд микросхем PMI появились за несколько лет до появления сопоставимых по качественным характеристикам микросхем любых других компаний, и долгие годы оставались в производстве ADI.

В 1995 году Analog Devices вошла в процесс создания совместного с TSMC и другими партнерами предприятия по производству 8-дюймовых (200 мм)полупроводниковых пластин в г. Камас (штат Вашингтон). Запущенный в 1996 году 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 (TSMC - Taiwan Semiconductor Manufacturing Company). К началу 21-го века продукты Analog Devices получили распространение практически во всех областях электроники и вычислительной техники, в промышленной, военной, медицинской, измерительной аппаратуре и многих других приложениях.

Номенклатура усилителей ADI в каталоге 2015 года

Например, номенклатура продуктов ADI в категории усилителей в каталоге 2015 года насчитывает сотни позиций, микросхемы этой категории классифицированы по назначению на 9 групп.

-Драйверы АЦП.

-Дифференциальные усилители.

-Инструментальные усилители.

-Изолирующие усилители: операционные усилители; усилители ВЧ и ПЧ; ВЧ детекторы мощности.

-Специализированные усилители

-Усилители с переменным коэффициентом усиления (КУ).

-Усилители для видео и аналоговой обработки видеосигналов [1].

В группе ОУ микросхемы классифицированы по какому-либо одному параметру или признаку на 13 подгрупп, при этом одни и те же микросхемы могут быть включены в различные подгруппы, что затрудняет выбор необходимых приборов. Наиболее многочисленная подгруппа усилителей с напряжением питания более 12 В содержит 241 микросхему, в подгруппу ОУ с напряжением питания менее 6 В входит 55 микросхем, в подгруппу прецизионных усилителей с напряжением смещения менее 1 мВ и температурным коэффициентом менее 2 мкВ/0С включены 90 типов микросхем. Данные для таблицы взяты из спецификаций (Data Sheets), первые редакции которых выпущены не ранее 2006 года. В таблице использованы единицы измерения и обозначения параметров, принятые в технической документации Analog Devices.

Таблица. Классификационные ОУ ADI разработки 2004-2014 гг

Примечания:

1.Тип прибора - цифра через дефис, приведенная в конце наименований микросхем серии ADA, означает количество единичных однотипных ОУ в одном корпусе микросхемы. Ряд микросхем серии AD приведены в одной графе таблицы через дробь, это также означает количество единичных ОУ, обычно 1 и 2 или 1,2 и 4 (например, AD8613/17/19). Для некоторых микросхем серии ADA в одной строке приведены данные для двух различных микросхем, имеющих одну спецификацию, например ADA4627/37-1.

F_-здБ - полоса пропускания по уровню -3 дБ (-3 dB Bandwidth) - параметр действителен в схеме с замкнутой обратной связью при различных условиях измерений, например, для микросхемы ADA4638-1 с полосой f-3дБ=2,5 МГц при следующих условиях измерений: Ky=+1, U_ПИТ=30 В, U_BX=30 мВ, R_H=10 кОм, С_H=20 пФ; для ADA4500-2 с полосой f-3дБ - Ку=-1,U_ПИТ=2,7 В, U_BX=5 мВ, R_H=10 кОм, С_H=20 пФ. Для быстродействующих ОУ в спецификациях обычно приводится несколько значений этого параметра для различных условий измерений, в таблице приведено одно из них, например, для ADA4817-1/2 в таблице приведено значение f_-3дБ=1050 МГц, действительное при U_ПИТ= ± 5 В, Ку=+1, U_BЫX=100 мВ (пик.). R_H=100 Ом, а при однополярном питании 5 В и тех же условиях полоса пропускания f-3дБ =500 МГц, при Ку=+2 и тех же условиях - 280 МГц.

Следует отметить, что коэффициент усиления по напряжению Ку в оригинальных технических документах ADI обозначается как ±G, ±A_v в разах или G в децибелах.

2.GBP (Gain-Bandwidth Product) - числовой коэффициент, определяющий полосу  пропускания ОУ с замкнутой обратной связью, численно равен произведению коэффициента усиления ОУ на полосу пропускания, измеряется в единицах частоты (кГц, МГц). Этот параметр также задается при различных условиях измерений, например для ADA4638-1 с GBP=1,5 МГц - при Ку=+100, U_ПИТ=30 В, U_BX=30 мВ, R_H=10 кОм, С_H=20 пФ.

3.SR - скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate), также измеряется при различных условиях, например, для ADA4638-1 при тех же, что и полоса пропускания f_-3дБ, а для ADA4817-1/2 с SR=870 В/мкс - при изменении (перепаде) выходного напряжения на 4 В, Ку=1, U_ПИТ=±5 В, R_H=100 Ом.

4.e_n- спектральная плотность напряжения шума (Voltage Noise Density), при выборе ОУ важно иметь в виду на какой частоте измерен этом параметр. Для различных микросхем в таблице приведены значения en, измеренных на частотах 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц, 1 МГц и других, поэтому при окончательном выборе необходимого ОУ следует обращаться к конкретным спецификациям.

5.V_OS - напряжение смещения нуля (Input Offset Voltage), для измерительных схем с постоянной составляющей, например для драйверов АЦП, этот параметр напрямую влияет на точность измерений. В таблице приведены в основном значения V_os при температуре +25 °C, которое может быть и положительным и отрицательным, для ряда микросхем в спецификациях даны максимальные значения V_os в диапазоне рабочих температур, которые обычно значительно больших номинальных значений.

6.I_sy - максимальный ток потребления на один ОУ, параметр измеряется без

подключения нагрузки и подачи входных сигналов, в таблице приведены типовые значения тока при температуре +25 °C для какого либо одного значения напряжения питания из представленных в соответствующих спецификациях. Последнее обстоятельство важно для приложений с повышенными требованиями к энергоэффективности, для уточнения требуется обращения к спецификациям конкретных микросхем.

7.I_B - входной ток смещения характеризует величину входного сопротивления ОУ и может находиться в пределах от долей пикоампер (пА) до единиц микроампер (мкА), в таблице приведены типовые значения этого параметра при температуре +25 °C.

8.PSRR (Power Supply Rejection Ratio) - коэффициент ослабления пульсаций источника питания, в таблице приведены типовые значения этого коэффициента обычно для всего диапазона напряжений питания при температуре 25 °C или для конкретных значений U_ПИТ.

9.CMRR (Common-Mode Rejiction Ratio) - коэффициент ослабления синфазного сигнала, определяемый как отношение коэффициентов усиления дифференциального и синфазного сигналов ОУ. В таблице приведены типовые значения коэффициентов CMRR при температуре +25°C и при входных напряжениях от -U_ПИТ до +U_ПИТ.

10.Напряжения питания U_ПИТмин, U_{ПИТмакс} со знаком ± приведены для микросхем, предназначенных для работы от двухполярных источников питания, однако многие из них могут без проблем работать и от однополярных источников.

Как следует из перечисленных примечаний к таблице, некорректно сравнивать между собой и выбирать нужные микросхемы, пользуясь только приведенными в таблице данными, а также данными на сайте производителя в сводных таблицах. Окончательный выбор необходимых ОУ следует делать на основании данных спецификаций (Data Sheets), предварительно выбранных по таблице конкретных микросхем.

Особенности ОУ ADI разработки 2012 - 2014 годов

Множество микросхем Analog Devices и, в частности, ОУ принадлежат к "высшему классу" в своих категориях, и отличаются весьма высокими точностными характеристиками, надежностью и длительным сроком службы. Рассмотрим особенности некоторых микросхем, разработанных в 2012-2014 годах, более подробно.

ADA4805-1, ADA4805-2 - одиночный и сдвоенный ОУ класса Rail-to-Rail по выходу, что означает возможность получения размаха выходного напряжения в пределах почти равным напряжениям питания (при Uпит=±5 В выходное напряжение может достигать значений ± 4,98 В). Основные параметры микросхем полностью нормированы при трех различных напряжениях питания - 3 В, 5 В и ±5 В. Микросхемы отличаются малым потреблением тока - типовой ток (I_SY) находится в пределах от 470 мкА (Uпит=3 В) до 570 мкА (±5 В), однако, несмотря на это, микросхемы обеспечивают высокое быстродействие в сочетании с малым напряжением смещения в широком диапазоне температур.

При использовании микросхем в энергоэффективных приложениях возможно снижение тока потребления ОУ до 3 мкА путем их перевода в режим ожидания, для чего у микросхем ADA4805-1 и ADA4805-2 в корпусе LFCSP-8 предусмотрены выводы управления SHUTDOWN. Время включения в рабочий режим не превышает 3 мкс, что позволяет резко увеличить время непрерывной автономной работы многих устройств с батарейным питанием за счет периодического отключения прибора в паузах между выборками информации, длительность которых определяемыми пользователями.

Плоская АЧХ (±0,1 дБ) ОУ на малом сигнале (U_{ВЫХ (ПИК)}=0,02 В) обеспечивается в диапазоне до 35 МГц, при этом верхняя граница по уровню -3 дБ достигает 95 МГц (Uпит=3 В) и 120 МГц (±5 В), АЧХ ОУ на малом и большом сигналах приведены на рис. 2а и 2б соответственно. Переходные характеристики микросхем при воздействии импульсов длительностью 0,2 мкс и различных напряжениях питания приведены на рис. 3, время установления выходных импульсов (Setting Time) не превышает 35...40 нс.
Микросхемы обеспечивают малое, для быстродействующих ОУ, напряжение смещения нуля - типовое значение 7...13 мкВ (не более 125 мкВ) и малый температурный коэффициент напряжения смещения ΔV_OS/ΔT (не более 1,5 мкВ/°С, типовое значение 0,2 мкВ/°С).

Рис. 2. АЧХ ОУ ADA4805-1, ADA4805-2: а - на малом сигнале, б - на большом сигнале

Рис. 3. Переходные характеристики ОУ ADA4805-1, ADA4805-2 при воздействии импульсов длительностью 0,2 мкс и различных Uпит

ОУ также характеризуются отличными шумовыми параметрами - плотность шума не более 5,9 нВ/√Гц и 0,6 пА/√Гц (на частоте 100 кГц), зависимость плотности шума ОУ от частоты приведена на рис. 4. Как видно их диаграммы, плотность шума в диапазоне 10 Гц...10 МГц не превышает 10 нВ√Гц, при этом действующее напряжение шумов в диапазоне 0,1...10 Гц по спецификациям не превышает 44 нВ.

Рис. 4. Диаграмма плотности шума ОУADA4805-1, ADA4805-2

При использовании микросхем в качестве широкополосных усилителей видеосигналов важное значение приобретает линейность усиления. Рассматриваемые ОУ обеспечивают малый уровень нелинейных искажений, уровень 2-й и 3-й гармоник при размахе выходного сигнала 2 В на частоте основного (несущего) сигнала 20 кГц составляет -114 дБн и -140 дБн, соответственно, на частоте несущей 100 кГц102 дБн и -128 дБн (в единицах дБн измеряются уровни сигналов относительно несущей: dBc, c - carrier)

Высокое входное сопротивление (50 МОм) и малая емкость (1 пФ) ОУ позволяют их эффективно применять в качестве драйверов прецизионных АЦП. Схема включения ОУ в качестве драйвера АЦП AD7980 приведена на рис. 5, размах сигналов на входе ОУ может находиться в пределах 0-V_REF, образцовое напряжение V_REF=5 В обеспечивает источник образцового напряжения на микросхеме ИОН ADR435.

Рис. 5. Схема включения ОУADA4805-1, ADA4805-2 в качестве драйвера АЦП AD7980

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, источники опорного напряжения (ИОН/REF) для АЦП.

Автор: Юрий Петропавловский (г. Таганрог)

Источник:  Ремонт и сервис