Строим прецизионные аналоговые тракты на компонентах TEXAS INSTRUMENTS (включая NSC)

23 апреля 2012

Эра аналоговой электроники началась в 1906 году, когда американцем Ли де Форестом была изобретена и запатентована трехэлектродная лампа — триод, позволявший усиливать слабые электрические колебания.

Следующим этапом развития аналоговой электроники стала разработка лампового операционного усилителя (ОУ) K2W Л. Джулии (США) в 1942 году. Он включал в себя два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и дорогие устройства, потреблявшие большое количество электроэнергии и сильно нагревавшиеся.

Замена ламп транзисторами в 1959 году привела к тому, что операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее и экономичнее, и сфера их применения расширилась. Р. Малтер (США) разработал ОУ Р2, содержавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Несмотря на значительное улучшение характеристик и снижение потребляемой мощности, ОУ все еще оставались достаточно дорогими устройствами, поскольку требовали подбора активных элементов и дополнительной ручной настройки.

Ситуация коренным образом изменилась, когда в 1958 г. в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) были изобретены интегральные микросхемы.

В 1963 году Р. Видларом (США) был разработан первый интегральный ОУ mА702, имевший успех на рынке. С тех пор операционные усилители являются неотъемлемыми компонентами большинства аналоговых схем.

В номенклатуре практически всех компаний, занимающихся производством интегральных микросхем, присутствуют ОУ. Это обусловлено их универсальностью и широким применением. На рынке операционных усилителей всегда была жесточайшая конкуренция, способствовавшая улучшению электрических и эксплуатационных характеристик микросхем, уменьшению энергопотребления и снижению стоимости.

В данной статье будет рассказано о современных аналоговых микросхемах компании Texas Instruments, а также о компонентах, производимых недавно приобретенной TI компанией National Semiconductors.

 

Операционные усилители (ОУ)

OPA140/OPA2140/OPA4140 — это прецизионные RRO малошумящие (5,1 нВ/√Гц при 1 кГц; 1/f шум: 250 нВ в полосе 0,1…10 Гц) JFET ОУ со скоростью нарастания выходного напряжения 20 В/мкс и полосой пропускания 11 МГц. Усилители имеют очень малое напряжение смещения 120 мкВ с дрейфом 1 мкВ/°C, входной ток 10 пА. Диапазон напряжения питания составляет 4,5…36 или ±2,25…18 В при потребляемом токе до 2 мА/канал, что на 13% ниже по сравнению с ближайшими конкурентами (рис. 1).

 

Шумовые характеристики OPAx140 в полосе частот 0,1...10 Гц

 

Рис. 1. Шумовые характеристики OPAx140 в полосе частот 0,1…10 Гц

ОУ имеют высокую точность и стабильность параметров в широком температурном диапазоне, обеспечивая высокую чувствительность и разрешающую способность. Широкая полоса пропускания и высокая скорость нарастания выходного сигнала позволяют использовать их в качестве драйверов 16-разрядных АЦП.

OPAx140 идеальны для усиления сигналов от высокоимпедансных источников (например, датчиков и фотодиодов), применяются в активных фильтрах и медицинской технике.

OPA170/OPA2170/OPA4170 — это самые маленькие (одноканальные — в корпусе SOT-553; двухканальные — в VSSOP-8) экономичные (Iпот = 110 мкА/канал) RRO ОУ общего применения с полосой пропускания 1,2 МГц и напряжением питания 2,7…36 или ±1,35…18 В. Они имеют малый дрейф напряжения смещения 0,3 мкВ/°C, малый ток смещения 8 пA, низкий уровень шума 19 нВ/√Гц при 1 кГц и защиту входа от электромагнитных помех (EMI/RFI), наводимых беспроводными сетями.

Маленький корпус экономит до 50% места на плате по сравнению с SOT-23 и MSOP. Усилители обеспечивают точность и стабильность параметров в промышленном температурном диапазоне. Их шумовые характеристики на 48% лучше по сравнению с конкурентами. Применяются в следящих усилителях промышленных источников питания, трансимпедансных усилителях, интеграторах и батарейных приборах.

OPA188/OPA2188/OPA4188 — это прецизионные RRO ОУ, выполненные по технологии Zero-Drift. Они имеют низкое напряжение смещения 25 мкВ и дрейф 0,085 мкВ/°C, малый ток смещения 850 пА, низкий уровень шума 8,8 нВ/√Гц и полосу пропускания 2 МГц. Напряжение питания ОУ 4,0…36 или ±2…18 В, ток покоя составляет 475 мкА. Пригодны для батарейных приборов с напряжением питания 5 В. OPAx188 имеют защиту входа от электромагнитных помех (EMI).

OPAx188 обеспечивают: лучшую точность и стабильность, чем OPA277; на 75% меньший дрейф, чем ближайшие конкуренты; большую чувствительность и высокое разрешение в широком диапазоне частот; минимальный уровень ошибок из-за шумовых токов.

Зависимости напряжения шума от температуры для обычного прецизионного ОУ и OPAx188 показаны на рис. 2

 

Зависимость напряжения шума от температуры для обычного прецизионного ОУ (красная кривая) и OPAx188 (синяя кривая)

 

Рис. 2. Зависимость напряжения смещения от температуры для обычного прецизионного ОУ (красная кривая) и OPAx188 (синяя кривая)

OPAx188 применяются в электронных весах, мостовых датчиках, контрольно-измерительных и медицинских приборах, трансимпедансных усилителях.

Типы корпусов:

  • OPA188 — SO-8, MSOP-8, SOT-23;
  • OPA2188 — SO-8, MSOP-8;
  • OPA4188 — SO-14, TSSOP-14.

OPA314/OPA2314/OPA4314 — это RRIO CMOS ОУ общего применения. Они имеют малый ток смещения 0,2 пА, наилучшее соотношение потребляемой мощности и производительности, малое напряжение смещения 2,5 мВ, низкий уровень шума 14 нВ/√Гц при 1 кГц и полосу пропускания 3 МГц. ОУ имеют напряжение питания 1,8…5,5 В и ток покоя 190 мкА/канал. Входы ОУ защищены от электромагнитных помех (EMI/RFI).

OPAx314 идеальны для усиления слабых сигналов с высоким соотношением «сигнал/шум». RRIO позволяет максимально использовать входной и выходной диапазон сигналов при однополярном питании. Широкая полоса пропускания гарантирует быстрый ответ на импульсный сигнал, а малый ток смещения позволяет подключать ОУ к высокоимпедансным источникам сигнала.

OPAx314 применяются в предусилителях датчиков и фотодиодов, заземленных датчиках тока, детекторах СО/дыма, портативных медицинских и измерительных приборах. Пример реализации двухполюсного ФНЧ на OPAx314 приведен на рис. 3.

 

Двухполюсный ФНЧ на OPAx314

 

Рис. 3. Двухполюсный ФНЧ на OPAx314

Типы корпусов:

  • OPA314 — SC70-5, SOT23-5;
  • OPA2314 — MSOP-8, SO-8, DFN-8;
  • OPA4314 — TSSOP-14;

OPA320/OPA2320 — это прецизионные RRIO CMOS ОУ с малым током смещения 0,9 пА, напряжением смещения 150 мкВ, низким уровнем шума 7 нВ/√Гц при 10 кГц, скоростью нарастания выходного сигнала 10 В/мкс и полосой пропускания 20 МГц. Напряжение питания составляет 1,8…5,5 В, ток покоя 1,6 мА/канал.

Высокая точность и линейность, широкая полоса пропускания позволяют использовать OPAx320 в драйверах 16-разрядных АЦП. Уровень шума OPAx320 на 35% меньше, чем у OPA365. Значение соотношения «потребление/полоса пропускания» в 80 мкА/МГц увеличивает КПД на 50% по сравнению с OPA376.

OPAx320 применяются в трансимпедансных усилителях (рис. 4), прецизионных системах сбора данных, предусилителях высокоимпедансных датчиков, промышленных контроллерах, датчиках в цепи ОС систем управления электродвигателями и активных фильтрах.

 

Трансимпедансный усилитель на OPAx320

 

Рис. 4. Трансимпедансный усилитель на OPAx320

 

Инструментальные усилители

Инструментальные усилители являются особым классом усилителей напряжения, обладающих высоким входным сопротивлением, широкой полосой пропускания, малым уровнем шума, большим коэффициентом усиления и высоким подавлением входного синфазного сигнала общего вида.

INA826 — это прецизионный (Uсм = 40 мкВ) экономичный (Iпот = 200 мкA) RRO инструментальный усилитель с напряжением питания 2,7…36 или ±1,35…18 В, низким уровнем входного шума 18 нВ/√Гц и КОСС = 84 дБ при КU = 1. Усилитель имеет широкий диапазон входного синфазного сигнала, который может опускаться ниже нуля, и защиту входа от перенапряжения до ±50 В и от EMI-помех.

INA826 выпускается в стандартных SOIC-8, MSOP-8 и микрокорпусах DFN-8, позволяющих сократить до 30% площади печатной платы по сравнению с MSOP-8.

INA826 применяются в промышленных системах управления, электронных предохранителях, датчиках тока, медицинских приборах и портативных системах сбора данных.

 

ЦАП DAC161P997

DAC161P997 — это экономичный (Iпот < 190 мкА) 16-разрядный дельта-сигма ЦАП с SWI-интерфейсом и драйвером токовой петли 4…20 мА, с минимальным дрейфом выходного тока 90 ppmFS. ЦАП имеет автоматическую калибровку, функцию обнаружения ошибок, программируемый порог ошибок по выходу, дополнительный вход HART и внутренний ИОН (рис. 5).

 

Схема включения DAC161P997: промышленный передатчик для токовой петли 4...20мА

 

Рис. 5. Схема включения DAC161P997: промышленный передатчик для токовой петли 4…20мА

DAC161P997 применяется в системах с токовой петлей 4…20 мА, например, для оцифровки сигналов с микропотребляющих изолированных двухпроводных датчиков, и выпускается в корпусе LLP-16 размером 4×4 мм2.

 

Analog Front-End (AFE)

В последние годы многие производители ИС освоили выпуск однокристальных систем сбора, оцифровки и предварительной обработки аналоговой информации (Analog Front-End, AFE). Подобного рода системы состоят из (дифференциальных) предусилителей с регулируемым коэффициентом усиления (PGA, VGA), аналогового мультиплексора, одного или нескольких АЦП с УВХ и блока управления и предварительной обработки сигнала.

Рассмотрим некоторые AFE от TI/NSC.

ADS1131 — это 18-разрядный AFE для мостовых датчиков с низким уровнем шума (40 нВ RMS при 10 SPS), EMI-фильтром и непрерывной режекцией сигнала с частотой 50 или 60 Гц при 10 SPS. Скорость преобразования выбирается с помощью внешнего вывода равной 10 или 80 SPS, что избавляет от необходимости программировать регистры, сокращает время и уменьшает сложность разработок. Опорный сигнал напряжением до 5 В задается внешним ИОН.

ADS1131 имеет на 20% большую производительность по сравнению с ближайшими конкурентами при наименьшем в своем классе уровне шумов. Встроенная система отключения измерительного моста уменьшает энергопотребление между циклами преобразования.

ADS1131 применяется в электронных весах и системах управления промышленными процессами.

LMP90100 — это многоканальный (4 дифференциальных или 7 SE) экономичный малошумящий 24-разрядный AFE для датчиков с КU 1…128 и непрерывной фоновой калибровкой (рис. 6).

 

Блок-схема LMP90100

 

Рис. 6. Блок-схема LMP90100

Сводные данные особенностей микросхем семейства LMP90000 представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сводные данные особенностей микросхем семейства LMP90000  

Разрешение, разр. Источники тока 4 дифф. / 7SE 2 дифф. / 4SE
24 Да LMP90100 LMP90098
24 Нет LMP90099 LMP90097
16 Да LMP90080 LMP90078
16 Нет LMP90079 LMP90077

Для LMP90100 имеется web-среда разработки, а также информация о производительности для каждой комбинации КU/быстродействие. Одна разводка печатной платы позволяет реализовывать различные разрешения и конфигурации.

Микросхемы применяются в преобразователях и передатчиках, предусилителях для термопар и датчиках температуры, датчиках давления/нагрузки/силы и системах сбора данных.

Выпускается оценочный набор LMP90100EB.

LMP91000 — это конфигурируемый экономичный (Iпот = 10 мкA при Uпит = 2,7…5,5 В) AFE для потенциалостата с программируемым коэффициентом преобразования для химических приложений, со встроенными датчиками TIA, смещения ячеек (с низким дрейфом и током кондиционирования 10 мА при токе смещения опорного электрода 1000 пА), температуры и схемой тестирования датчиков.

В AFE интегрировано множество дискретных компонентов, что экономит размер платы, уменьшает стоимость и минимизирует время разработки (рис. 7).

 

Блок-схема LMP91000

 

Рис. 7. Блок-схема LMP91000

LMP91000 позволяет в широком диапазоне (0,5…9,5 нА/ppm) определять концентрацию различных газов. Она оптимальна для портативных систем и систем с токовой петлей 4…20 мА. Онлайн-среда разработки позволяет быстро оценивать, макетировать и выводить на рынок конечную систему.

Микросхема находит применение в детекторах ядовитых газов, амперометрических приложениях, детекторах химического состава смеси газов, глюкометрах, трехпроводных датчиках ядовитых газов и двухпроводных датчиках напряжения гальванических элементов.

Имеется оценочный набор LMP91000SDE/NOPB.

 

Аналоговые компоненты
National Semiconductor (NSC)

Издревле среди разработчиков ходит поговорка «LM — значит NSC». Теперь набрав наименование компонента «LM» разработчик будет попадать в каталог продукции TI. Рассмотрим электронные компоненты NSC, вошедшие в портфолио TI.

 

Операционные усилители

LMP8640/8645 — это прецизионные высоковольтные усилители для сигналов с датчиков тока с низким дрейфом напряжения смещения (±2,6 мкВ/°C), большим допустимым диапазоном входного сигнала -2…42 В (-2…76 В — с суффиксом HV), высоким КОСС 103 дБ, фиксированным КU (20 для 864x-T, 50 для 864x-F и 100 для 864x-H) и малым температурным дрейфом ±26,2 ppm/°C.

Усилители потребляют ток 2,5 мА и работоспособны в температурном диапазоне -40…125°C.

LMP8640/8645 применяются в датчиках тока верхнего плеча, датчиках тока автомобилей, системах управления электродвигателями, схемах мониторинга состояния батарей и управления мощностью.

LMP2021/2022 — это малошумящие (11 нВ/√Гц при КU = 1000) ОУ с периодической коррекцией дрейфа, малым напряжением смещения 5 мкВ, его дрейфом 0,02 мкВ/°C и защитой входа от EMI.

LMP2021/2022 применяются в инструментальных усилителях, портативном инструментарии, усилителях сигналов с термопар и мостовых схем.

LPV511/521/531 — это экономичные RRIO ОУ с напряжением питания 2,7…12 В и сверхнизким током потребления (1,2 мкА для LPV511, 0,4 мкА для LPV521, программируемый 5…435 мкА для LPV531), позволяющие увеличить срок службы батарей в портативных приложениях. Выпускаются в корпусе SC-70 или TSOT23-6 (LPV531).

LPV511/521/531 применяются в портативных системах, системах безопасности, термостатах, системах на солнечных батареях, портативном инструментарии, активных фильтрах и беспроводных датчиках.

LMP7721 — это прецизионный малошумящий (7 нВ/√Гц) CMOS ОУ со сверхмалым входным током 3 фА. Напряжение питания ОУ 1,8…5,5 В; потребляемый ток 1,5 мА.

ИС обладают превосходной производительностью при малом потребляемом токе. Они способны работать с высокоимпедансными источниками сигнала и применяются в прецизионных инструментальных усилителях, портативной медицинской технике, датчиках и электрометрах. Пример реализации преобразователя «ток-напряжение» для ионной камеры на LMP7721 показан на рис. 8.

 

Преобразователь ток-напряжение для ионной камеры на LMP7721

 

Рис. 8. Преобразователь ток-напряжение для ионной камеры на LMP7721

LMP2231/2232/2234 — это экономичные (Uпит = 1,6…5,5 В; Iпот = 10 мкА для LMP2231, 27 мкА для LMP2232 и 48 мкА для LMP2234) прецизионные CMOS ОУ, предназначенные для работы с высокоимпедансными источниками сигнала и имеющие большой КОСС 120 дБ. Напряжение смещения 150 мкВ; температурный дрейф 0,4 мкВ для LMP2231, 0,5 мкВ для LMP2232 и 0,75 мкВ для LMP2234.

LMP2231/2232/2234 применяются в прецизионных инструментальных усилителях (рис. 9), портативных медицинских приборах и предусилителях сигналов от датчиков.

 

Инструментальный усилитель сигнала разбалансировки моста на LMP2231/2232

 

Рис. 9. Инструментальный усилитель сигнала разбалансировки моста на LMP2231/2232

LMP7731/7732 — это малошумящие (2,9 нВ/√Гц) прецизионные (напряжение смещения 500 мкВ, дрейф 5,5 мкВ/°C) ОУ с широкой полосой пропускания 22 МГц и большой скоростью нарастания выходного сигнала 2,4 В/мкс с напряжением питания 1,8…5,5 В.

ОУ LMP7731/7732 применяются в газоанализаторах, фотометрах и медицинской технике.

Схема для определения коэффициента шума LMP7731/7732 в полосе частот 0.1…10 Гц показана на рис. 10.

 

Схема для определения коэффициента шума LMP7731/7732 в полосе частот 0.1...10 Гц

 

Рис. 10. Схема для определения коэффициента шума LMP7731/7732 в полосе частот 0.1…10 Гц

LMV831/2/4 — это экономичные (Uип = 2,7…5,5 В; Iпот = 240 мкА/канал), малошумящие (12 нВ/√Гц при 1 кГц) ОУ с CMOS-транзисторами на входах, обеспечивающими ток смещения 0,1 пА, напряжением смещения 1 мВ, полосой пропускания 3,3 МГц, скоростью нарастания сигнала на выходе 2 В/мкс и защитой от EMI (подавление 120 дБ при 1,8 ГГц), обеспечивающей устойчивую работу в устройствах сотовой связи.

LMV831/2/4 находят применение в предусилителях фотодиодов, пьезодатчиках, портативном (медицинском) оборудовании, активных фильтрах, аксессуарах для PDA/телефонов. Пример реализации усилителя сигнала датчика давления на LMV831 представлен на рис. 11.

 

Усилитель сигнала датчика давления на LMV831

 

Рис. 11. Усилитель сигнала датчика давления на LMV831

LMP7701/2/4 — это экономичные (Uип = 2,7…12 В, Iпот = 700 мкА/канал) прецизионные (Uсм = 200 мкВ) малошумящие (9 нВ/√Гц) RRIO CMOS ОУ с большим значением КОСС 130 дБ и коэффициента передачи без ОС 130 дБ.

В портативных устройствах ОУ LMP7701/2/4 позволяют продлить срок службы батарей и работать при одном питающем напряжении.

LMP7701/2/4 применяются в интерфейсах высокоимпедансных датчиков, портативных измерительных приборах, усилителях с большим КU, буферах ЦАП, активных фильтрах и дискретных инструментальных усилителях. Пример реализации прецизионного источника тока с дифференциальным входом на LMP7701 показан на рис. 12.

 

Прецизионный источник тока с дифференциальным входом на LMP7701

 

Рис. 12. Прецизионный источник тока с дифференциальным входом на LMP7701

 

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

ADC128S102 — это экономичный 8-канальный 12-разрядный АЦП с производительностью 1 MSPS, точностью преобразования ±0,024%, нелинейностью ±1,0 LSB, напряжением питания 2,7…5,25 В и SPI-интерфейсом. ADC128S102 выпускаются в корпусе TSSOP-16 и являются представителями семейства повыводно совместимых АЦП:

Сводные данные особенностей микросхем семейства ADC128S102 представлены в таблице 2.

Таблица 2. Сводные данные особенностей микросхем семейства ADC128S102  

Разрешение, бит Гарантированная производительность, kSPS:
50..200 200…500 500…1000
12 ADC128S102 ADC128S052 ADC128S022
10 ADC108S102 ADC108S052 ADC108S022
8 ADC088S102 ADC088S052 ADC088S022

ADC128S102 находят применение в интерфейсах датчиков, портативных системах сбора данных, измерительных и управляющих системах.

ADC161S626 — это 16-разрядный MicroPower АЦП с дифференциальным входом, производительностью 50…250 kSPS, точностью преобразования ±0,003%, следящим режимом с временем готовности 0 мкс и SPI-интерфейсом.

Выпускается преобразователь в корпусе MSOP-10.

ADC161S626 применяется в интерфейсах датчиков, системах сбора данных и управления электродвигателями, измерительных и медицинских приборах.

 

Цифро-аналоговые преобразователи

DAC161S055 — это прецизионный 16-разрядный ЦАП с временем установления выходного напряжения 5 мкс, SPI-интерфейсом, буферизованным rail-to-rail потенциальным выходом, опорным напряжением от 2,5 В до напряжения питания аналоговых цепей, асинхронной загрузкой, выводом сброса и совместимостью с микроконтроллерами с напряжением питания линий I/O 1,8 В. Схема сброса при подаче напряжения питания гарантирует приведение ЦАП в известное исходное состояние. Режим пониженного энергопотребления способствует сбережению энергии батареи в периоды бездействия.

Преобразователи выпускаются в корпусе LLP-16 с температурным диапазоном -40…105°C.

DAC161S055 применяются в системах управления процессами, автоматическом проверочном оборудовании, программируемых источниках напряжения, коммуникационных системах, промышленных контроллерах и портативных приборах.

 

Заключение

Вспоминая приобретение Texas Instruments компании Luminary Micro, дальнейшее развитие компанией TI семейства микроконтроллеров Stellaris с ядром Cortex-M3 и создание на их основе семейства двухъядерных микроконтроллеров Concerto, хочется надеяться, что нынешнее приобретение компании NSC позволит TI еще больше расширить номенклатуру выпускаемых аналоговых компонентов и укрепить лидирующие позиции на рынке прецизионных аналоговых и аналогово-цифровых микросхем.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: mcu.vesti@compel.ru

Знаете ли Вы, что …

1. Для любого чувствительного к стоимости промышленного применения имеется единственный ОУ, который удовлетворяет требованиям большинства таких приложений — OPA2171.

2. Для любого пользователя промышленных программируемых логических контроллеров имеется единственный в мире прецизионный ОУ с нулевым дрейфом и напряжением питания 36 В — OPA2188.

3. Если пользователю необходимо с высокой точностью измерить выходной сигнал от малошумящего датчика, то TI предлагает наилучший прецизионный ОУ с FET-транзисторами на входе — OPA140.

4. Имеется единственный ОУ с одним источником питания для использования в качестве драйвера 16-разрядного АЦП, который обеспечивает прецизионную работу при напряжении источника питания 1,8 В — OPA320.

5. Если Вы применяете микроконтроллеры семейства MSP430, имеется единственный ОУ, который можно использовать как прибор с наилучшим соотношением потребляемой мощности и цены — OPA2314.

•••

Наши информационные каналы