ОУ Analog Devices – высокая производительность и энергоэффективность портативной электроники

28 января

ответственные примененияуниверсальное применениеAnalog Devicesстатьяинтегральные микросхемыоперационные усилителидифференциальный усилитель

Томас Бранд (Analog Devices)

Analog Devices предлагает широкий модельный ряд маломощных операционных усилителей с малым и сверхмалым энергопотреблением (ULP) для применения в компактной портативной электронике. В статье рассмотрен пример системы сбора данных с применением биполярного дифференциального усилителя ADA4945-1.

При постоянном увеличении количества портативных устройств с батарейным питанием основополагающим требованием выбора становится высокая производительность при малом энергопотреблении. Со становления эпохи интернета вещей (IoT), Промышленной революции 4.0 (Industry 4.0) и цифровизации портативная электроника, от приложений мобильного мониторинга основных показателей жизнедеятельности и до мониторинга машин и систем в промышленных условиях, существенно упрощает многие аспекты жизни. Требования к высокой производительности и максимальному времени автономной работы становятся все выше даже для электроники, предназначенной для конечных пользователей, такой как смартфоны и портативные устройства.

Чтобы максимизировать время работы устройства с питанием от батареи, которое ограничено энергоемкостью источника питания, требуется применение энергоэффективных компонентов с минимальным потреблением тока в рабочем режиме. Как альтернатива, за счет элементной базы с малым энергопотреблением достигается такой же срок службы батареи с меньшей емкостью, уменьшается размер, вес и стоимость конечного устройства. Наряду с применением энергоэффективных компонентов нельзя забывать и о температурном режиме. Система охлаждения, которая занимает много места в корпусе устройства, может быть уменьшена благодаря достижению меньшего количества выделяемого тепла. Для создания компактной и высокопроизводительной портативной электроники компания Analog Devices предлагает широкий модельный ряд маломощных операционных усилителей с малым и сверхмалым энергопотреблением (ULP).

Компромиссы между энергопотреблением и производительностью

При выборе подходящего усилителя часто приходится идти на компромиссы, связанные с потребляемой мощностью операционного усилителя, которые требуется учитывать.

Малая мощность часто подразумевает под собой и малую пропускную способность. Пропускная способность усилителя зависит от конкретной архитектуры и требований к стабильной работе. Чем выше паразитные емкости и индуктивности, тем меньше полоса пропускания. Так, например, трансимпедансные усилители (усилители с обратной связью по току) обладают относительно большой полосой пропускания, но с меньшей точностью. С помощью нескольких приемов можно улучшить отношение пропускной способности к мощности. Например, формула 1, по которой высчитывается полоса пропускания усиления (GBW), обычно имеет следующий вид:

$$GBW=\frac{{G_m}}{C},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • Gm – крутизна, или отношение между выходным током и входным напряжением (IOUT/VIN);
  • C – внутренняя компенсационная емкость.

Классический способ увеличить полосу пропускания — это увеличить токи смещения, что приведет к росту Gm за счет большего энергопотребления. Но такой метод не приемлем для малой мощности.

Как правило, компенсационная емкость оказывает доминирующее влияние, поэтому в идеале емкость нагрузки не оказывает помех на полосу пропускания.

Уменьшение емкости, как правило, приводит к расширению полосы пропускания, которая ограничивается физическими характеристиками усилителя. При таком подходе ухудшается стабильность работы. В то же время при слабом усилении шума происходит стабилизация сигнала. Тем не менее в действительности невозможно управлять только большим диапазоном емкостной нагрузкой при низком уровне шума.

Другим недостатком использования маломощных операционных усилителей является повышенный шум самого напряжения. Шум, вызываемый входному напряжением, будет доминирующим фактором, влияющим на суммарный выходной широкополосный шум усилителя. Также в выходном напряжении может преобладать шум резистора. В итоговом, или суммарном шуме обычно преобладают источники шума входного каскада, например, у коллекторов это дробовой шум, а у стоков – тепловой. Шум 1/f (мерцающий, или розовый шум) варьируется в зависимости от архитектуры и вызван, помимо прочего, особыми дефектами материалов компонентов. Также на формирование шума оказывает воздействие и размер компонента. Шум по току, напротив, будет меньше при низких уровнях мощности. Однако в биполярных усилителях этим шумом пренебрегать не стоит. Также в ряде случаях мерцающий токовый шум 1/f может оказывать доминирующее влияние в суммарный мерцающий шум 1/f на выходе усилителя. Дополнительные искажения вносят изменяющиеся параметры и значения дрейфа. Маломощные операционные усилители демонстрируют высокие общие искажения гармоник (THD), но, как помехи по току, влияние входного напряжения и токов смещения в биполярных усилителях уменьшается с уменьшением токов питания операционного усилителя.

Еще одной важной характеристикой операционных усилителей является напряжение смещения. Обычно на него влияет адаптация компонентов входной стороны, поэтому он не вызывает каких-либо существенных потерь производительности при малой мощности, поскольку VOS и дрейф VOS постоянны по мощности. Внешняя схема и резисторы обратной связи RF также влияют на характеристики операционного усилителя. Высокие значения сопротивления уменьшают динамическую мощность и искажения гармоник, но увеличивают выходной шум и эффекты, связанные с током смещения.

Чтобы еще больше снизить энергопотребление, во многих устройствах часто предусмотрены режимы Standby или Sleep. Это позволяет деактивировать ключевые функции устройства, когда они не используются, и повторно активировать их, когда они необходимы. Для маломощных операционных усилителей пробуждение обычно занимает больше времени. Описанные выше факторы воздействия на операционные усилители приведены в таблице 1.

Таблица 1. Эффекты маломощных операционных усилителей

Эффект Энергопотребление ↓ Сопротивление
обратной связи RF
Положительный Токовый шум ↓
Дрейф тока смещения ↓
Дрейф тока смещения ↓
Динамическая мощность ↓
Искажение (THD) на ВЧ ↓
Отрицательный Полоса пропускания ↓
Шум напряжения ↑
Искажения (THD) на ВЧ ↑
Время пробуждения ↑
Мощность драйвера ↓
Выходной шум ↑
Влияние на ток смещения ↑
Нейтральный Дрейф напряжения смещения

Удачный компромисс между этими характеристиками демонстрирует биполярный дифференциальный усилитель ADA4945-1. Благодаря малому значению смещения постоянного тока, дрейфу смещения постоянного тока и выдающимся динамическим характеристикам он хорошо подходит для многочисленных применений с высоким разрешением, а также для мощных приложений сбора данных и обработки сигналов, в которых драйвер необходим для АЦП. Пример такого использования ADA4945-1 совместно с управляющим АЦП AD4022 показан на рисунке 1. Применив переключение между режимами мощности, можно оптимизировать соотношение производительности и мощности для конкретного преобразователя. Например, режим полной мощности должен хорошо сочетаться с характеристиками AD4020. Для использования режима малого энергопотребления для более низкой частоты дискретизации применимы AD4021 или AD4022.

Рис. 1. Пример упрощенной схемы для системы сбора данных с высоким разрешением

Рис. 1. Пример упрощенной схемы для системы сбора данных с высоким разрешением

Оригинал статьи

Перевел Дмитрий Кокшаров по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

  Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD о ...читать далее

Товары
Наименование