Операционные усилители и компараторы с ультрамалым энергопотреблением

8 апреля

универсальное применениеMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалыnanoPowerOp-Ampcomparatorsignal chainоперационные усилителикомпараторы

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Нанопотребляющие ОУ и компараторы производства Maxim Integrated могут использоваться для контроля уровня заряда аккумуляторов, фильтрации сигналов, измерения освещенности, мониторинга температуры. При этом суммарное потребление таких схем не превышает 1…2 мкА.

История операционных усилителей (ОУ) насчитывает уже более 80 лет. Первые ламповые промышленные ОУ начали выпускаться в 40-е годы прошлого века. Первый интегральный ОУ μA702 был создан компанией Fairchild в 1963 году. С тех пор многое изменилось, однако операционные усилители и компараторы по-прежнему широко используются практически во всех областях электроники от промышленного оборудования и медицинской техники до военных и автомобильных приложений.

Разумеется, в каждой конкретной отрасли требования к ОУ и компараторам существенно различаются. Более того, эти аналоговые компоненты продолжают развиваться вместе с появлением новых направлений в электронике. В качестве яркого примера можно привести сегмент портативной электроники: умные часы, шагомеры, фитнес-трекеры, портативные медицинские приборы и им подобное. Очевидно, что классические ОУ и компараторы, выполненные в традиционных DIP-/SOIC-корпусах и требующие двуполярного питания, для таких приложений совершенно не подходят. Вместо этого требуются сверхкомпактные, малопотребляющие компоненты с однополярным питанием.

Зачем нужны малопотребляющие ОУ и компараторы?

В последнее время появляется все больше устройств с батарейным или аккумуляторным питанием: смартфоны, ноутбуки, фитнес-трекеры, портативные медицинские приборы и так далее. С первого взгляда может показаться, что в этих цифровых приборах совсем не осталось места для дискретных ОУ и компараторов, однако это далеко не так. ОУ и компараторы по-прежнему широко применяются, например, для нормирования сигналов с различных датчиков, создания схем сдвига уровней, буферизации сигналов и прочего. С другой стороны, они отлично справляются с новыми задачами, такими как контроль уровня заряда аккумулятора, измерение тока разряда, мониторинг температуры и так далее. Вместе с тем к ОУ и компараторам, используемым в портативных устройствах с аккумуляторным питанием, предъявляют более жесткие требования, касающиеся потребления, габаритов и диапазона напряжений питания. Рассмотрим их подробнее.

Минимальное потребление. Говоря о потреблении, необходимо понимать, что все познается в сравнении. Например, ОУ с потреблением на уровне единиц или даже десятков мА может без каких-либо особых проблем использоваться в промышленном оборудовании, однако для портативных устройств с батарейным питанием столь высокий собственный ток оказывается неприемлемым сразу по двум причинам. Во-первых, такой ОУ очень быстро «съест» заряд аккумулятора. Во-вторых, мощность, рассеиваемую ОУ, нужно будет куда-то отводить, что не всегда возможно в случае, скажем, современных сверхкомпактных умных часов.

Рассмотрим пример с обычной дисковой батарейкой емкостью 34 мА⋅ч и рабочим диапазоном выходных напряжений 2…3 В [1]. При работе с нагрузкой 2,5 мкА такая батарейка обеспечит длительность автономной работы устройства 18,6 месяцев (без учета саморазряда). Однако если в составе схемы присутствует ОУ с потреблением всего 1,5 мкА (Iq), то срок службы элемента питания сократится на 60%! Таким образом, для подобных приложений требуются ОУ и компараторы с наноамперным уровнем потребления.

Компактные габаритные размеры. В портативных устройствах компараторы и ОУ работают с напряжениями малых значений и редко используются для питания мощной нагрузки, однако им приходится сталкиваться с жестким ограничением свободного пространства. В таких устройствах требуются сверхкомпактные и низкопрофильные корпусные исполнения. Традиционные SOIC-/TSSOP-компоненты попросту не уместятся в умных часах. По этой причине производители либо разрабатывают новые корпусные исполнения, либо применяют самые компактные традиционные корпуса.

В таблице 1 представлены корпусные исполнения современных сверхкомпактных ОУ. Например, компания Maxim Integrated предлагает ОУ в корпусах WLP-6 и WLP-8. Корпус WLP-6 занимает на печатной плате всего 0,84 мм2. Для сравнения, резистор 0603 занимает на плате почти в два раза больше места – 1,32 мм2, а традиционный SOIC-8 в 20 раз больше – 19,11 мм2. Корпус WLP-8 используется для размещения сдвоенных ОУ и компараторов и занимает на плате 1,48 мм2, то есть 0,74 мм2 на один ОУ.

Таблица 1. Обзор корпусных исполнений современных сверхкомпактных ОУ и компараторов

Корпус Габариты, мм Площадь, мм2 Типовое количество ОУ в корпусе
WLP-6 1,1×0,76×0,35 0,84 1
WLP-8 1,63×0,91×0,5 1,48 2
X2QFN-8 1,50×1,50 2,25 2
VSSOP-8 3,0×3,0 9 2
SOT-23-5 2,90×1,60 4,64 1
SOT-23-8 3,0×3,0 9 2
SOIC-8 4,9×3,90 19,11 2
SMT 0603 1,55×0,85×0,45 1,32

Широкий диапазон напряжений питания. У каждого аккумулятора и батарейки есть допустимый диапазон рабочих напряжений. Например, у литиевых элементов питания диапазон рабочих напряжений составляет 2,5…4,2 В, а у Ni-Cd-аккумуляторов всего 0,9…1,45 В. Более глубокий разряд практически неизбежно приведет к деградации аккумулятора. Таким образом, ОУ и компараторы вынуждены работать с однополярным и низковольтным питанием.

Очень часто к ОУ и компараторам, используемым в портативных приборах, предъявляют и дополнительные требования: низкое смещение входного напряжения и тока (для выполнения точных измерений), низкий уровень шума, относительно высокая рабочая частота и так далее.

Операционный усилитель или компаратор?

Операционные усилители и компараторы являются родственными компонентами, но между ними есть важные принципиальные отличия, которые во многом определяют их области применения.

Тип выхода. По сути, компаратор представляет собой ОУ с очень большим коэффициентом усиления, выход которого может находиться только в двух устойчивых насыщенных состояниях: низком (логический «0») или высоком (логическая «1»). Таким образом, несмотря на свою аналоговую природу, компаратор оказывается цифровым компонентом. Его выход можно напрямую подключать к цифровым схемам. В то же время ОУ является чисто аналоговым компонентом, и для его взаимодействия с управляющим контроллером понадобится АЦП.

Потребление. Разумеется, можно заставить обычный ОУ работать в режиме компаратора, задав большой коэффициент усиления. Однако его выход будет постоянно находиться в режиме насыщения, из-за чего потребление существенно возрастет, а динамические характеристики окажутся неудовлетворительными. Компараторы имеют упрощенный выходной каскад и оптимизированы для работы напряжениями, близкими к границам диапазона рабочих напряжений. Более того, как уже было отмечено выше, для работы с ОУ понадобится АЦП, который является весьма прожорливым компонентом, а компаратор по умолчанию работает как простейший однобитный АЦП.

Габариты. Работа с ОУ предполагает использование внешних резисторов и конденсаторов, а компараторы обычно обходятся одним подтягивающим резистором на выходе (если речь идет о выходе с открытым стоком/коллектором). В результате компараторы занимают на плате меньше места.

Стоимость. Стоимость является критичным фактором для современной портативной электроники, поэтому во многих приложениях использование компаратора будет более предпочтительным:

  • для работы с компаратором можно использовать бюджетный микроконтроллер без встроенного АЦП;
  • компаратор требует минимум обвязки;
  • компаратор занимает меньше места на печатной плате, что также способствует снижению стоимости.

Таким образом, можно сделать некоторые выводы по использованию ОУ и компараторов. Если требуется усилить аналоговый сигнал для дальнейшей аналоговой или цифровой обработки, то потребуется ОУ. Если же система работает с дискретными сигналами или ей необходимо обнаруживать только граничные состояния, то лучшим вариантом будет компаратор. В таких случаях компараторы обеспечат меньшее потребление, меньшие габариты и меньшую стоимость.

Рассмотрим конкретные примеры малопотребляющих ОУ и компараторов.

Примеры современных малопотребляющих ОУ

Производители полупроводников чутко следят за тенденциями рынка и оперативно предлагают новые решения. Например, у всех крупных поставщиков ОУ есть модели с наноамперным потреблением, созданные специально для устройств с батарейным питанием.

Компания Maxim Integrated предлагает одноканальные ОУ MAX40007 и двухканальные ОУ MAX40018 (таблица 2).

Одноканальный операционный усилитель MAX40007 имеет типовое потребление всего 750 нА – меньше, чем саморазряд многих типовых аккумуляторов. Данный ОУ может работать с напряжениями питания 1,7…5,5 В, что позволяет ему оставаться активным даже при глубоком разряде аккумулятора или батарейки. Еще одним достоинством MAX40007 являются компактные габариты – всего 1,1×0,76 мм (WLP-6), своеобразный рекорд для отрасли.

MAX40018 – двухканальный ОУ, поставляемый в сверхкомпактном корпусе WLP-8 с размерами всего 1,63×0,91×0,5 мм. Если пересчитать потребление и площадь на один канал, то MAX40018 оказывается более эффективным, чем MAX40007: для MAX40018 типовое потребление на канал составляет всего 400 нА, а площадь – 0,74 мм2 на один ОУ. Еще одним плюсом MAX40018 является низкий входной ток 0,1 пА.

Для ознакомления с возможностями и характеристиками ОУ производства Maxim можно использовать отладочные платы MAX40007EVKIT и MAX40018EVKIT.

Другие производители также имеют в своей линейке поставок ОУ с наноамперным уровнем потребления, однако именно MAX40007 и MAX40018 оказываются более предпочтительным вариантом для портативной электроники из-за своих рекордно малых размеров.

Таблица 2. Основные характеристики малопотребляющих ОУ

Параметр MAX40007 MAX40018
Число каналов 1 2
Напряжение питания, В 1,7…5,5 1,7…5,5
Потребление Iq тип. 750 нА 400 нА/канал
Входное напряжение смещения макс., мВ ±1,3 ±1,3
Входной ток смещения тип., пА 40 0,1
Выходной ток макс., мА 30 20
Входной шум, нВ/√Гц (1 кГц) 513 730
PSRR, дБ 100 (тип.) 88
GBP, кГц 15 9
Корпус (размер, мм) WLP-6 (1,1×0,76),
SOT-23 (2,90×1,60)
WLP-8 (1,63×0,91×0,5),
TDFN-8 (3×3×0,75)
Диапазон рабочих температур, °С -40…125 -40…125

Примеры современных малопотребляющих компараторов

Компания Maxim Integrated выпускает семейство компараторов MAX4000x с наноамперным уровнем потребления (таблица 3) [2].

Таблица 3. Основные характеристики малопотребляющих компараторов Maxim

Параметр MAX40000/MAX40001 MAX40002/MAX40005
Число каналов 1 1
Напряжение питания, В 1,7…5,5 1,7…5,5
Потребление Iq тип., нА 900 500
Входное напряжение, В -0,2…5,7 0,1…5,5
Корпус (размер, мм) WLP-6 (1,1×0,76),
SOT-23-5 (2,90×1,60)
WLP-4 (0,73×0,73),
SOT-23-5 (2,90×1,60)
Диапазон рабочих температур, °С -40…125 -40…125

Одноканальные компараторы MAX40000/01 потребляют всего 900 нА и выпускаются в компактных корпусах WLP-6 (1,1×0,76 мм) и SOT-23-5. Компараторы MAX40002/03/04/05 потребляют всего 500 нА и выпускаются в еще более миниатюрном корпусе WLP-4 размером 0,73×0,73 мм, а также в корпусе SOT-23-5. Благодаря компактным размерам эти компараторы могут быть размещены в непосредственной близости от аккумулятора портативного устройства, что делает их идеальным выбором для мониторинга температуры элемента питания.

В составе MAX40000/01 присутствует встроенный прецизионный калиброванный источник опорного напряжения (ИОН) с начальной точностью 1% и максимальной погрешностью 2,5% во всем диапазоне рабочих температур. Существуют модели с ИОН 1,252, 1,66, 1,94 и 2,22 В.

Компараторы MAX40002…05 имеют исполнения как со встроенным ИОН, так и без него. Однако в моделях со встроенным ИОН (0,2/0,5/1,222 В) это напряжение не выводится на внешний вывод.

Между собой компараторы отличаются типом выхода:

  • MAX40000 – выход со встроенной подтяжкой (push-pull);
  • MAX40001 – выход с открытым стоком (open-drain);
  • MAX40002/03 – выход с открытым стоком (open-drain);
  • MAX40004/05 – выход со встроенной подтяжкой (push-pull);

Стоит также отметить, что MAX40002/04 имеют неинвертирующие входы, а в MAX40003/05 реализованы инвертирующие входы.

Для ознакомления с возможностями компараторов Maxim следует использовать отладочные платы MAX40000EVKIT…MAX40005EVKIT.

Рассмотрим некоторые примеры использования малопотребляющих ОУ и компараторов.

Измерение тока разряда батареи с помощью ОУ [3]

Большинство современных аккумуляторов плохо воспринимает глубокий разряд, поэтому контроль уровня заряда является одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиками. Наиболее распространенным и бюджетным методом измерения уровня заряда является суммирование токов. Для этого необходим токоизмерительный шунт, операционный усилитель и АЦП. Суть метода проста – ток, протекая по шунту, создает на нем падение напряжения, которое усиливается ОУ и измеряется АЦП. Интегрируя ток по времени и зная номинальную емкость аккумулятора, можно рассчитать уровень оставшегося заряда.

Разумеется, во многих приложениях для решения этой задачи можно использовать микроконтроллер со встроенными АЦП и ОУ. К сожалению, встроенные ОУ, как правило, не могут похвастаться малым потреблением.Например, типовое потребление встроенных ОУ обычно составляет сотни мкА, что очень и очень мало, но все-таки недостаточно мало для некоторых случаев. В то же время дискретные ОУ обеспечивают минимум потребления и практически не занимают места на печатной плате.

На рисунке 1 представлена схема измерения тока на базе MAX40007. В качестве токоизмерительного сопротивления в ней используется резистор 10 Ом (RSENSE). MAX40007 усиливает сигнал с шунта (2 В/В) и передает его на АЦП. Для обеспечения минимального потребления в данной схеме используются высокоомные резисторы. Так как входной ток MAX40007 составляет всего 40 пА, то основной вклад в потребление вносит собственный ток ОУ (Iq) и ток, протекающий через резисторы R1 (100 кОм) и R3 (10 МОм). Суммарное типовое потребление схемы не превышает 1 мкА.

Рис. 1. Простая, бюджетная и малопотребляющая схема измерения тока на ОУ

Рис. 1. Простая, бюджетная и малопотребляющая схема измерения тока на ОУ

Стоит отметить, что MAX40007 позволяет работать со входными напряжениями от -0,1 В (то есть ниже потенциала земли), что имеет большое значение для данной схемы.

Заграждающий малопотребляющий фильтр [3]

Электромагнитные помехи являются одной из важнейших проблем для чувствительных измерительных и медицинских приборов, например, для ЭКГ. При снятии ЭКГ используют удаленные электроды, которые при работе в шумном окружении будут неизбежно собирать помехи от других приборов. В результате распространенной задачей в данном случае становится борьба с помехами 50/60 Гц. Для фильтрации шумов 50/60 Гц обычно используют полосовые фильтры.

Очень многие нанопотребляющие ОУ не могут похвастаться хорошими частотными характеристиками и низким уровнем собственных шумов. Однако ОУ MAX40007 является приятным исключением.

Рис. 2. Заграждающий 60-Гц фильтр на MAX40007

Рис. 2. Заграждающий 60-Гц фильтр на MAX40007

На рисунке 2 представлена схема заграждающего фильтра 60 Гц. Это двойной Т-образный RC-фильтр, выходной сигнал от которого дополнительно усиливается с помощью MAX40007. Частотные характеристики фильтра показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Частотные характеристики заграждающего фильтра на MAX40007

Рис. 3. Частотные характеристики заграждающего фильтра на MAX40007

Контроль уровня освещенности с помощью ОУ [3]

Многие современные портативные устройства с аккумуляторным питанием имеют дисплей. Как правило, дисплей вносит значительный вклад в общее потребление системы. Для его снижения, используют динамическую подстройку яркости экрана в зависимости от яркости внешнего освещения.

Для контроля освещенности очень часто используют простейшую схему, состоящую из фотодиода и трансимпедансного усилителя (рисунок 4). Этот усилитель необходим для преобразования тока фотодиода в напряжение. Так как ток фотодиода очень мал (субмилиамперный диапазон), то резистор обратной связи (Rf) должен быть большим. Усилитель MAX40007 хорошо подходит для данного приложения, так как обладает сразу несколькими достоинствами: малым значением входного тока (всего 40 пА), низким уровнем шума, и низким собственным потреблением. Типовое суммарное потребление схемы при максимальном уровне освещения не превышает 740 нА.

Рис. 4. Схема измерения освещенности на MAX40007

Рис. 4. Схема измерения освещенности на MAX40007

Мониторинг уровня заряда аккумулятора с помощью компаратора [4]

Для некоторых устройств не требуется точно знать уровень заряда аккумулятора. Вместо этого требуется определять моменты полного заряда и полного разряда. Разумеется, эту задачу можно решить с помощью микроконтроллера со встроенным АЦП или со встроенным компаратором, однако такое решение будет потреблять достаточно много энергии. Если устройство работает с жестким ограничением бюджета мощности, то чем дольше микроконтроллер будет находиться в режиме сна, тем лучше. По этой причине для контроля заряда/разряда аккумулятора лучше использовать нанопотребляющие компараторы.

На рисунке 5 представлена простая, бюджетная и малопотребляющая схема контроля заряда/разряда на базе компаратора MAX40000. Компаратор контролирует напряжение на аккумуляторе. При достижении полного заряда выход компаратора переключается в низкое состояние, сообщая микроконтроллеру о необходимости прекращения цикла заряда. При достижении состояния полного разряда компаратор переключается в высокое состояние на выходе, сообщая микроконтроллеру о необходимости начала цикла зарядки. Пороговые значения определяются номиналами резисторов и могут быть подстроены под конкретный тип аккумуляторов. Точность измерений также определяется, в основном, разбросом номиналов резисторов. Подробнее об этом рассказывается в статье [4]. Предлагаемая схема обеспечивает минимальное потребление на уровне 2 мкА.

Рис. 5. Схема контроля заряда/разряда аккумулятора

Рис. 5. Схема контроля заряда/разряда аккумулятора

Мониторинг температуры с помощью компаратора [4]

Еще одной важной задачей при работе с аккумуляторами является контроль температуры. Перегрев может свидетельствовать о наличии критических неисправностей. Чтобы предотвратить катастрофические последствия, микроконтроллер должен вовремя отключить питание системы.

Простейшая схема измерения температуры представлена на рисунке 6. В ней компаратор MAX40004 контролирует сигнал с датчика температуры, в качестве которого используется NTC-термистор. При превышении порогового значения температуры компаратор срабатывает (низкое состояние на выходе), тем самым сообщая микроконтроллеру о перегреве.

Рис. 6. Простейшая схема контроля температуры

Рис. 6. Простейшая схема контроля температуры

Если используется NTC 100 кОм, номинал резистора R1 составляет 1,08 МОм, а резистора R2 – 120 кОм, то суммарное потребление схемы составит всего 2 мкА. Подробнее о данной схеме можно прочитать в публикациях [2, 4].

Заключение

Современные портативные приборы с аккумуляторным питанием требуют от операционных усилителей и компараторов минимального потребления и компактных габаритных размеров.

Производители предлагают ОУ и компараторы, уровень потребления которых сопоставим с уровнем саморазряда аккумуляторов и находится в наноамперном диапазоне.

Нанопотребляющие ОУ и компараторы производства компании Maxim Integrated могут использоваться для решения различных задач, в том числе – для контроля уровня заряда аккумуляторов, фильтрации сигналов, измерения освещенности, мониторинга температуры. При этом суммарное потребление этих схем не превышает 1…2 мкА.

Литература

  1. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6549.html
  2. https://www.maximintegrated.com/content/dam/files/design/technical-documents/design-solutions/ds44-guard-your-portable-device-while-it-sleeps.pdf
  3. https://www.maximintegrated.com/content/dam/files/design/technical-documents/design-solutions/ds115-the-amplifier-power-of-three-current-bandwidth-and-size.pdf
  4. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6378.html
•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX40007ANT+T (MAX)
MAX40007AUT+T (MAX)
MAX40007EVKIT# (MAX)
MAX40018ANA+T (MAX)
MAX40018ATA+T (MAX)
MAX40018ATA+ (MAX)
MAX40000ANT12+T (MAX)
MAX40000AUT12+T (MAX)
MAX40000EVKIT# (MAX)
MAX40001ANT12+T (MAX)
MAX40001AUT12+T (MAX)
MAX40001AUT22+T (MAX)
MAX40002ANS12+T (MAX)
MAX40002ANS02+T (MAX)
MAX40002AUK02+T (MAX)
MAX40003ANS02+T (MAX)
MAX40003ANS12+T (MAX)
MAX40003EVKIT# (MAX)
MAX40004ANS02+T (MAX)
MAX40004EVKIT# (MAX)