Что нужно знать о входах rail-to-rail

15 июня 2018

управление питаниемTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Rail-to-rail ОУ чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. Вместе с тем, необходимо понимать, чем приходится расплачиваться за возможность их использования. На рисунке 4 показан входной каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-канальных транзисторов. P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из нижней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).

N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из верхней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рисунке 4 не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Большинство подобных двухкаскадных ОУ производства компании Texas Instruments (TI) разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам.

Рис. 4. Типовой входной каскад rail-to-rail содержит два N-канальных и пару P-канальных транзисторов

Рис. 4. Типовой входной каскад rail-to-rail содержит два N-канальных и пару P-канальных транзисторов

Входные P-канальные и N-канальные каскады отличаются значениями напряжения смещения (offset voltages). Если входной сигнал проходит через границу переключения каскадов, то это приводит к скачкообразному изменению напряжения смещения. Некоторые ОУ проходят заводскую лазерную подгонку или электронную подстройку для уменьшения напряжения смещения. Такая подгонка позволяет уменьшить скачок при переключении каскадов, однако не убирает его полностью. Схема, которая отвечает за переключение, в качестве базовой точки, использует положительное напряжение питания. При использовании питания 3,3 В это приводит к неприятному явлению – появлению средней точки (midsupply).

В большинстве приложений такое скачкообразное изменение смещения проходит незамеченным, однако для прецизионных схем это может стать проблемой. Также могут возникнуть искажения при работе с переменным сигналом, если такой сигнал пересекает точку переключения каскадов.

На рисунке 5 показан второй вариант реализации rail-to-rail-входов. Встроенный повышающий регулятор формирует для P-канального каскада напряжение, которое оказывается примерно на 2 В выше, чем напряжение питания. Использование повышенного напряжения позволяет с помощью единственного каскада работать с входным диапазоном rail-to-rail без каких-либо скачков.

Рис. 5. Входной каскад rail-to-rail с внутренним повышающим регулятором для питания P-канального каскада

Рис. 5. Входной каскад rail-to-rail с внутренним повышающим регулятором для питания P-канального каскада

Слова «повышающий преобразователь» для некоторых разработчиков звучат пугающе: «Разве эти преобразователи не шумят?» Однако наиболее современные модели производства TI стали заметно тише. Повышающий регулятор требует очень мало тока, так как используется только для питания входного каскада. Здесь не требуется дополнительных внешних выводов и конденсаторов – все интегрировано в ОУ. Уровень шума преобразователя оказывается меньше собственного широкополосного шума ОУ, и его редко можно увидеть во временной области. Однако устройства, анализирующие шумовой спектр этих ОУ, могут обнаружить в нем некоторые артефакты.

Не во всех приложениях требуется вход rail-to-rail. Инвертирующим усилителям и усилителям с неединичным коэффициентом усиления такой вход не нужен. И, тем не менее, его используют. Задумайтесь, действительно ли вам необходим rail-to-rail-усилитель? Многие инженеры предпочитают использовать их, чтобы не волноваться о выходе сигнала за рамки допустимого входного диапазона напряжений. Они применяют одни и те же ОУ во многих электронных узлах своих систем. Одни узлы требуют входа rail-to-rail, а другие – нет. Зная о существующих типах rail-to-rail и их особенностях, следует подходить к их выбору более осознанно. Если же возникают сомнения – всегда можно обратиться к инженерам на форуме TI E2E™ / Community Precision Amplifers.

Вот несколько примеров ОУ:

  • OPA340 – ОУ с двухкаскадным входом и подгонкой напряжения смещения, 5,5 МГц, rail-to-rail КМОП;
  • OPA343 – ОУ с двухкаскадным входом без подгонки напряжения смещения, 5,5 МГц, rail-to-rail КМОП;
  • OPA320 – ОУ с однокаскадным входом и повышающим регулятором, 20 МГц, rail-to-rail КМОП;
  • OPA322 – ОУ с однокаскадным входом и повышающим регулятором, 20 МГц, rail-to-rail КМОП.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

Часть 1: Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу.

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA340NA/250 (TI)
OPA340UA (TI)
OPA340MDBVTEP (TI)
OPA340NA/3K (TI)
OPA340NA (TI)
OPA343NA/250 (TI)
OPA343UA (TI)
OPA343NA/250G4 (TI)
OPA343UA/2K5 (TI)
OPA343 (TI)
OPA320AIDBVT (TI)
OPA320AIDBVR (TI)
OPA320SAIDBVR (TI)
OPA320SAIDBVT (TI)
OPA320AQDBVRQ1 (TI)
OPA322SAIDBVR (TI)
OPA322AIDBVR (TI)
OPA322SAIDBVT (TI)
OPA322AIDBVT (TI)
OPA322AQDBVRQ1 (TI)