№10 / 2017 / статья 4

Бюджетные усилители TI в современных приложениях

Алексей Пазюк (г. Мэнсфилд)

Аналоговые микросхемы используются практически во всех существующих электронных изделиях, в автомобилях, системах связи, смартфонах, потребительской электронике и так далее. Операционные усилители занимают не последнее место в этом сегменте. Компания Texas Instruments, один из крупнейших производителей ОУ, своими новыми линейками недорогих усилителей развеивает предубеждение, что малопотребляющие изделия с прецизионными характеристиками стоят дорого.

На волне тотальной автоматизации активно развиваются различные IoT-системы, системы безопасности, устройства для реализации концепции умного дома. Как следствие, многие ранее используемые системы приобретают новые очертания и предлагают комплексные интегральные решения. IoT-технология постепенно преобразует способ взаимодействия с окружающим миром, проникая во все аспекты нашей жизни и делая ее безопасней, экологичней, здоровее. Подобные системы, к примеру, повышают безопасность автотранспорта, позволяя водителям обнаружить другие автомобили и избежать столкновения, оптимизируют освещение с учетом естественных условий, используют данные портативных пульсоксиметров, которые смогут вовремя предсказать ухудшение здоровья.

Большинство информации в IoT-системах обрабатывается центральным процессором или сервисами облачных технологий, данные для которых собирают специализированные датчики. Они позволяют получить все необходимые данные для дальнейшей обработки, будь то определение наличия объекта в заданной зоне, показатели жизненно важных функций организма человека, наличие в воздухе опасных для жизнедеятельности веществ и многое другое. Простейшие примеры – датчики движения и месторасположения, дыма и наличия газа, частоты пульса и уровня кислорода в крови.

В большинстве случаев значения амплитуды сигнала на выходе первичного преобразователя недостаточно для реализации требуемого качества аналого-цифрового преобразования. Для ее увеличения используются дополнительные усилители в цепи сигнального канала. Иногда эти усилители уже интегрированы в АЦП или микроконтроллер, но это, с точки зрения получения необходимых характеристик, не всегда это является оптимальным решением. В большинстве таких случаев простейшим способом будет применение схем с использованием операционного усилителя. Схемам, использующим ОУ, свойственна простота и точность. Собственный большой коэффициент усиления и использование различных схем с обратной связью позволяют обеспечить необходимое усиление и заданную передаточную функцию. Помимо этого, ОУ широко используются для усиления переменных и постоянных сигналов, применяются в качестве драйверов и генераторов, задействованы в AC/DC-преобразователях, мультивибраторах, в различных электронных устройствах.

На протяжении многих лет компания Texas Instruments является одним из лидеров на рынке производства аналоговых микросхем. Важную роль в этом сыграло удачное и своевременное приобретение многих сильных игроков рынка. Одно из ключевых мест в номенклатуре аналоговых компонентов TI занимают усилители. Многие из них имеют собственную историю, начавшуюся еще за пределами компании. Усилители таких серий как OPA, LMC, LMV, LM, появившиеся в линейке компании вместе с приобретением Burn-Brown и National Semiconductor, продолжают развиваться и дальше совместно с усилителями серий TL, TLV, THS, изначально разработанных в TI. Появление новых изделий объясняется тем фактом, что даже сегодня, обладая современными технологиями, невозможно реализовать идеальный операционный усилитель с бесконечным коэффициентом усиления, обладающим при этом бесконечной полосой пропускания с отсутствием шумов и нулевым потреблением. Поэтому для каждой отдельной области применения разрабатывается и используется усилитель с особенностями, характерными для данного применения (таблица 1). В системах промышленной автоматизации, где требуется обеспечение высокой точности измерения контролируемых параметров, более актуальными будут такие параметры как величина входного напряжения смещения и его температурный дрейф, уровень шума, значение коэффициента усиления при разомкнутой обратной связи. Также важны устойчивость к воздействию высоких напряжений и возможность работать с высокими уровнями входных напряжений. Для переносных и портативных изделий наравне со многими другими параметрами актуальным будет значение тока потребления: чем он меньше, тем больше срок работы изделия от одного заряда батареи. Имеющаяся номенклатура усилителей, выпускаемых TI, позволяет найти решение для всех возможных применений, от такого популярного ныне сегмента как носимые гаджеты и IoT, до более специфичных, таких как промышленная автоматизация, системы безопасности, аудиоусилители и так далее.

Таблица 1. Варианты применения разных типов ОУ семейства TLV

Тип усилителя Высокоскоростные усилители Усилители с малым энергопотреблением Прецизионные усилители Усилители общего применения Аудиоусилители
Особенности линейки Полоса пропускания > 50 МГц; VGA/DVGA;TIA для оптических сетей Усилители с нанопотреблением; ток потребления – менее 10 мкА Vos < 1 мВ и дрейф < 2 мкВ/С; инструментальные усилители; усилители мощности; дифференциальные усилители; логарифмические усилители Vos > 1 мВ; усилители с низковольтным напряжением питания; высоковольтные усилители; усилители AEQ-100C Аудиоусилители малой/средней/высокой мощности; автомобильные аудиоусилители
Области применения Системы связи; беспроводные системы; промышленная электроника; автомобильная электроника IoT; автоматизация зданий и производств; потребительская электроника; автомобильная электроника Промышленная электроника; автомобильная электроника Промышленная электроника; потребительская электорника; автомобильная электроника Персональная электроника; портативные громковорители; автоматизация зданий; автомобильные усилители

Новая линейка бюджетных ОУ TLV

Основной особенностью семейства TLV производства компании Texas Instruments является возможность работать при малых напряжениях питания. Для некоторых моделей значение данного параметра начинается с 1,7 В. Среди других общих особенностей линейки следует отметить обеспечение размаха выходного сигнала, равного напряжению питания, малую мощность потребления, небольшой размер корпуса. Совокупность данных параметров в сочетании с малой стоимостью является удачным решением для массового рынка портативных носимых устройств, а также устройств с батарейным питанием (таблица 2).

Таблица 2. ОУ семейства TLV, работающие при малых напряжениях питания

Наименование Напряжение питания, мин., В Напряжение питания, макс., В GBW, тип., МГц Скорость нарастания, тип., В/мкс Напряжение смещения, макс., мВ Ток потребления на канал, тип., мА Диапазон температур, °C Корпус
TLV8544 1,7 3,6 0,008 0,0035 3,1 0,0005 -40…125 SOIC
TLV8811 1,7 5,5 0,006 0,0015 0,55 0,00045 -40…125 SOT-23
TLV8801 1,7 5,5 0,006 0,0015 4,5 0,00045 -40…125 SOT-23
TLV8802 1,7 5,5 0,006 0,0015 4,5 0,00032 -40…125 VSSOP
TLV6001
TLV6002
TLV6004
1,8 5,5 1 0,5 4,5 0,075 -40…125 SC70, SOT-23
TLV376 2,2 5,5 5,5 2 0,100 0,815 -40…125 SOIC, SOT-23
TLV369 1,8 5,5 0,012 0,005 2 0,0008 -40…125 SC70
TLV3541
TLV3542
TLV3544
2,5 5,5 200 150 10 5,2 -40…125 SOIC, SOT-23
TLV333 1,8 5,5 0,35 0,16 0,015 0,017 -40…125 SC70, SOIC, SOT-23
TLV316 1,8 5,5 10 6 3 0,4 -40…125 SC70, SOT-23
TLV314 1,8 5,5 3 1,5 3 0,15 -40…125 SC70, SOT-23
TLV313 1,8 5,5 1 0,5 3 0,065 -40…125 SC70, SOT-23
TLV172 4,5 36 10 10 1,7 1,6 -40…125 SC70, SOIC, SOT-23
TLV171 2,7 36 3 1,5 2,7 0,525 -40…125 SOT-23, SOIC
TLV170 2,7 36 1,2 0,4 2,5 0,125 -40…125 SOT-23, SOIC

Подсемейство ОУ с нанопотреблением

Отдельная группа в семействе TLV – это усилители с нанопотреблением TLV8801/8802/8811/8544. Их основная отличительная особенность – малый ток энергопотребления. Типовой ток потребления микросхем – не более 500 нА на канал при минимально возможном напряжении электропитания 1,7 В. Благодаря малому электропотреблению данные усилители найдут применение в устройствах, где срок жизни при работе от батареи является критичным параметром, например, в автономных датчиках движения. Дополнительно следует отметить, что используемый в усилителях входной КМОП-каскад обеспечивает малые входные токи смещения (100 фА), что позволяет использовать их в режиме трансимпедансного усилителя с мегаомным резистором обратной связи и источниками сигнала с высокоомным импедансом в системах детектирования. Несмотря на то, что усилители скомпенсированы в своем рабочем диапазоне, они чувствительны к емкостной нагрузке. Большая емкость на выходе может привести к уменьшению запаса по фазе и возникновению последующей самогенерации, особенно критично это при использовании усилителей в режиме повторителя. Поэтому в случае работы с большими выходными нагрузками рекомендуется использовать последовательный резистор для изоляции емкостной нагрузки по выходу усилителя. ОУ TLV8801/8802/8811/8544 обеспечивают размах амплитуды выходного сигнала в пределах напряжения питания, в то время как входное синфазное напряжение может находиться в пределах полного размаха напряжения питания только для TLV8544 (таблица 3).

Таблица 3. ОУ TLV с нанопотреблением

Наименование Количество каналов Напряжение смещения, мВ Температурный дрейф, мкВ/°С GBW Скорость нарастания, В/мкс Плотность шума, на 1 кГц, нВ/√ Гц Выходной ток, мА CMRR
TLV8544 4 3,1 0,8 0,008 0,0035 264 15 75
TLV8542 2 3,1 0,8 0,008 0,0035 264 15 80
TLV8801 1 4,5 1 0,006 0,0015 450 4,7 90
TLV8802 2 4,5 1 0,006 0,0015 450 4,7 90
TLV8811 1 0,55 1 0,006 0,0015 450 4,7 95
TLV8812 2 0,5 1 0,006 0,0015 450 4,7 98

Усилители с повышенной емкостной нагрузочной способностью

Семейство TLV600x разрабатывалось для применения в портативных устройствах, поэтому для него характерна работа при малом напряжении питания 1,8…5,5 В. Эти усилители обеспечивают работу с полным размахом напряжений как по входу, так и по выходу, что обеспечивается особенностью архитектуры входного и выходного каскадов (рисунок 1). Использование комплементарной входной дифференциальной пары обеспечивает возможность работы с уровнями синфазного входного напряжения от негативного до позитивного напряжения питания включительно. Кроме того, входное напряжение может быть за пределами напряжения питания: ниже негативного напряжения питания и выше позитивного на 200 мВ, что позволяет использовать ОУ в схемах с несимметричным напряжением питания. В усилителе используется выходной каскад в АВ-режиме. Это позволяет обеспечить полный размах амплитуды при сохранении малого тока потребления по выходу. Ток потребления для микросхем TLV6001/2/4 составляет 75 мкА на канал. Благодаря этому выходное напряжение может достигать уровней, отличающихся от напряжения питания на 5 мВ (при нагрузке 100 кОм). Помимо упомянутых преимуществ, применение выходного каскада в режиме AB позволяет обеспечить стабильную работу при единичном коэффициенте усиления схемы на различных резистивных и емкостных нагрузках. В режиме повторителя усилитель остается стабильным при емкостной нагрузке до 1 нФ.

Рис. 1. Функциональная схема операционных усилителей TLV6001/6002/6004

Рис. 1. Функциональная схема операционных усилителей TLV6001/6002/6004

Подсемейство TLV17x с широким диапазоном питающих напряжений

Не так давно линейка TLV пополнилась ОУ с широким диапазоном напряжения питания. Усилители TLVх170/х171/х172 (таблица 4) позволяют работать в диапазоне 2,7…36 В. Особенностью этих усилителей является сравнительно небольшой для данного типа усилителей ток потребления (125 мкА для TLV170) при частоте единичного усиления 1…10 МГц, малый уровень входного шума и малый входной ток смещения (10 пА). При этом они обеспечивают возможность работы на емкостную нагрузку до 300 пФ (TLVx172). Стоит отметить, что, благодаря используемой архитектуре, усилители обеспечивают работу при входных сигналах, превышающих используемые уровни напряжения питания микросхемы, при этом фаза выходного сигнала не изменяется, а сам сигнал ограничивается уровнем напряжения питания (рисунок 2). Малый температурный дрейф 2 мкВ/°C обеспечивает великолепную стабильность во всем диапазоне температур. Совокупность общих характеристик, таких как большой CMRR, PSRR, коэффициент усиления разомкнутой петли обратной связи позволяют использовать данные усилители во многих применениях общего назначения. Несмотря на то, что в целом семейство TLV является усилителями бюджетного класса, большинство параметров сравнимо с параметрами более высокоточных семейств. Те, кто давно работает с различными линейками операционных усилителей TI, наверное, обратят внимание на схожесть параметров TLVx170/1/2 c ОУ OPAx170/1/2.

Рис. 2. TLV172: выходной сигнал при входном сигнале, превышающем напряжение питания

Рис. 2. TLV172: выходной сигнал при входном сигнале, превышающем напряжение питания

Таблица 4. ОУ TLV с широким диапазоном напряжения питания

Наименование Полоса пропускания, МГц Скорость нарастания, В/мкс Напряжение смещения, мВ Ток потребления, мА Температурный дрейф, мкВ/°С Vn при 1 кГц, нВ/√Гц Выходной ток, мА Ток смещения, пА CMRR, дБ
OPA170 1,2 0,4 1,8 0,1 0,3 19 17 15 120
OPA171 3 1,5 1,8 0,475 0,3 14 25 15 120
OPA172 10 10 1 1,6 0,3 7 75 15 120
TLV170 1,2 0,4 2,5 0,125 2 22 17 110
TLV171 3 1,5 2,7 0,525 1 16 30 105
TLV172 10 10 1,7 1,6 1 9 75 116

Примеры применения ОУ серии TLV

Автономные беспроводные датчики, а также проводные датчики дыма довольно часто рассчитаны на малое энергопотребление. И если в жилых домах малое время работы от батареи – это просто неудобство, в коммерческих зданиях это – дополнительные расходы, в том числе и на обслуживание. В батарейных датчиках газа и дыма входной преобразовательный элемент работает постоянно, а система обработки включается только при превышении заданных пределов. В этих условиях единственный способ уменьшения общего энергопотребления — выбор режима с минимально необходимым током смещения и уменьшением тока потребления всех цепей обработки сигнального тракта. Пример подключения трехвыводного датчика газа показан на рисунке 3. Малый ток входного смещения (0,1 пА) и малое собственное энергопотребление (320 нА) позволяют использовать в данном приложении TLV8802. Если решение будет требовать большей точности, то вместо TLV8802 можно использовать либо TLV854x, либо усилители семейства LPV80x, которые обладают меньшим входным напряжением смещения и меньшим уровнем шума.

Рис. 3. Схема включения трехвыводного датчика газа

Рис. 3. Схема включения трехвыводного датчика газа

Другой пример использования ОУ с малым током потребления – это реализация аналогового тракта для PIR-датчика движения (рисунок 4). Использование четырехканального операционного усилителя TLV8544 позволяет реализовать с помощью одной микросхемы как схему предварительного усиления, так и схему оконного компаратора. Такое решение позволяет добиться типового тока потребления активной части датчика порядка 2 мкА (4 х 500 нА/канал). Следует обратить внимание, что обычно не рекомендуется использовать ОУ в качестве компаратора из-за его длительного времени восстановления при выходе из режима насыщения и относительно большой задержки передачи сигнала, обусловленной влиянием внутренней компенсации. В случае c PIR-датчиком такое применение оправдано, так как мы имеем дело с медленными сигналами.

Рис. 4. Схема предварительной обработки PIR-датчика

Рис. 4. Схема предварительной обработки PIR-датчика

Заключение

Особенности и преимущества ОУ TI дают возможность выбрать наиболее подходящую модель конкретного применения. При реализации бюджетных решений серия TLV может стать неплохим выбором. Усилители семейства TLV обладают уникальными характеристиками, которые позволяют использовать их в различных изделиях. Малый ток потребления усилителей линейки TLV88хх будет востребован для изделий с батарейным питаниям, а совокупность параметров высоковольтной линейки TLV17X откроет широкие возможности для реализации различных схем управления питанием и измерительного оборудования.

Литература

  1. Lower Sales Shake Up Top Analog IC Supplier Ranking (espnews.com)
  2. Smoke and Heat Detector (ti.com)
  3. Internet_of_things (ti.com)
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, ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
TLV8811DBVT (TI) 54 575 0.3113 $ 18.79 руб. от 250 шт
TLV8801DBVT (TI) 11 770 0.2936 $ 17.71 руб. от 1 000 шт
TLV8802DGKT (TI) 9 785 0.3600 $ 21.71 руб. от 1 250 шт
TLV6001UIDBVT (TI) 55 725 0.2613 $ 15.76 руб. от 250 шт
TLV6002IDGKT (TI) 100 504 0.4276 $ 25.79 руб. от 4 000 шт
TLV376IDR (TI) 9 784 0.7431 $ 44.83 руб. от 2 500 шт
TLV3691IDCKT (TI) 12 457 0.7325 $ 44.19 руб. от 750 шт
TLV3541IDR (TI) 4 715 0.7629 $ 46.02 руб. от 1 000 шт
TLV3542IDR (TI) 9 333 1.1813 $ 71.26 руб. от 1 000 шт
TLV3544IDR (TI) 7 248 1.8091 $ 109.14 руб. от 2 500 шт