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

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).

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

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.

• 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.

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.

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).

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 4x4 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).

Рис. 6. Блок-схема LMP90100

Сводные данные особенностей микросхем семейства LMP90000 представлены в таблице 1.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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: [email protected]