Когда использовать усилитель с rail-to-rail входами и на что обращать внимание
В начале своей магистратуры я работала над проектом, в котором для схемы мониторинга в нашей системе нанесения тонких пленок требовался буфер с единичным усилением на операционном усилителе (ОУ). После включения нового устройства я обнаружила, что все сигналы с уровнями, близкими к напряжению положительного источника питания, были обрезаны. Мой товарищ по лаборатории сказал: «О, ты же должна была использовать операционный усилитель rail-to-rail». Так я впервые узнала, что для предотвращения выхода входных сигналов за допустимые пределы мне нужен специальный тип ОУ.
В последние годы все больше ОУ (особенно в категории высокоточных низкоскоростных) имеют диапазон входных синфазных сигналов, включающий оба напряжения питания. Это, конечно, хорошая новость для начинающих разработчиков, таких, как я во времена магистратуры. Во многих случаях гибкость rail-to-rail входов и выходов (RRIO) усилителя позволяет использовать его в нескольких местах одной системы, благодаря чему появляется возможность сократить номенклатуру используемых компонентов. Но даже в тех случаях, когда минимизация перечня компонентов не столь критична, гибкость rail-to-rail входов усилителя все равно дает много преимуществ.
Буфер с единичным усилением в низковольтных системах с однополярным питанием
Одно из приложений, где можно реализовать эти преимущества – буфер с единичным усилением в низковольтной системе с однополярным питанием. Портативные системы с питанием от батарей повсеместно используются в целом ряде областей, например, в персональной электронике, сборщиках энергии и контрольно-измерительном оборудовании. В большинстве случаев эти системы работают от напряжения 3 В, или даже ниже, что сужает диапазон входных синфазных сигналов (input common-mode range – ICMR).
Для иллюстрации этой проблемы входного диапазона используем как пример семейство OPAx836 (OPA836/OPA2836). OPAx836 – это популярная серия ОУ, не имеющих rail-to-rail входа, но во всем остальном идеальных для портативной аппаратуры. Исключительно энергоэффективные ОУ OPA836 и OPA2836 имеют полосу пропускания 205 МГц и приведенное к входу напряжение шумов 4.6 нВ/√Гц, при этом потребляемый ими ток составляет всего 1 мА на канал. Кроме того, они доступны в миниатюрных корпусах. Такие преимущества позволяют использовать эти ОУ в портативных устройствах, где технические характеристики не должны приноситься в жертву строгим требованиям к потребляемой мощности и габаритам. OPAx836 также имеют rail-to-rail выход (RRO), что позволяет максимально расширить диапазон выходных напряжений для работы при низком напряжении питания. Однако входные синфазные сигналы OPAx836 ограничены диапазоном от (VS– – 0.2 В) до (VS+ – 1.1 В). «Недостающие» 1.1 В не создают проблем, если включение ОУ предусматривает некоторое усиление, скажем, больше 1.5 В/В, – в таком случае входному сигналу нет необходимости занимать весь диапазон питания. Но в буфере с единичным усилением и напряжением питания 3.3 В или меньше эти 1.1 В могут оказаться критичными для портативных систем, где динамический диапазон должен быть максимально широким.
Контроль положительной шины в портативных устройствах с батарейным питанием
Другое применение усилителей с rail-to-rail входом – мониторинг положительной шины в портативных устройствах с батарейным питанием. Для таких целей можно использовать выпускаемый Texas Instruments быстродействующий ОУ THS4281. Он имеет rail-to-rail вход при полосе пропускания 90 МГц и токе потребления всего 0.75 мА, что позволяет разработчикам строить быстрые и гибкие системы с малой потребляемой мощностью. На Рисунке 1 показана типовая схема измерения тока положительной шины питания с использованием THS4281. Вход rail-to-rail здесь очень удобен, поскольку входное синфазное напряжение схемы на Рисунке 1 обычно отстоит от напряжения положительной шины питания не более чем на 1 В, что исключает использования большинства усилителей без rail-to-rail входов, включая OPA836.
| Рисунок 1. | Типовая схема измерения тока положительной шины питания с использованием THS4281. |
Хотя усилители с rail-to-rail входами исключительно гибки и удобны, существует проблема, требующая пристального внимания. В большинстве усилителей с rail-to-rail входом используется топология входного каскада, аналогичная показанной на Рисунке 2. В этой схеме основной каскад на p-n-p биполярных или p-канальных МОП транзисторах, усиливающий сигналы в диапазоне от уровня, чуть меньшего напряжения отрицательной шины питания, до уровня, не доходящего примерно на 1.5 В до напряжения положительной шины, объединен с «вспомогательным» n-p-n/n-МОП каскадом, включающимся на последнем участке диапазона входных синфазных сигналов – в интервале между напряжением положительной шины питания и напряжением, меньшим на 1.5 В. Вследствие этого обычно существует переходная область, в которой происходит «переключение» между основным и вспомогательным каскадами.
| Рисунок 2. | Во входных каскадах усилителей с rail-to-rail входами используются либо биполярные транзисторы (слева), либо MOSFET (справа). |
Чтобы определить эту область, посмотрим на зависимость напряжения смещения (VOS) от величины входного синфазного сигнала (VICR), пример которой для THS4281 показан на Рисунке 3. Как видим, когда VINCM проходит диапазон напряжений между (VS+ – 1.4 В) и (VS+ – 1 В), VOS «прыгает» вниз, обозначая область, где происходит переключение. Иногда в прецизионных приложениях, где измерения с единичным усилением должны иметь точность порядка 1 мВ, такой скачок VOS нежелателен.
| Рисунок 3. | Зависимость входного синфазного напряжения (VICR) от напряжения смещения (VOS) для микросхемы THS4281. |
В распоряжении разработчиков интегральных схем имеются различные технологии уменьшения этой ошибки переключения, но если в микросхему не добавлен встроенный зарядовый насос, ошибка переключения будет существовать всегда. В большинстве случаев неприятности, доставляемые этой областью переключения, преодолимы. Например, в схеме на Рисунке 1, до тех пор, пока напряжение батареи VBAT остается ниже 12 В, входной синфазный сигнал должен оставаться выше области переключения. Точно так же в схеме инвертирующего или трансимпедансного усилителя до тех пор, пока вы помните про область переключения, вы можете устанавливать любое значение входного синфазного напряжения в пределах диапазона питания. Кроме того, поскольку входные напряжения в этих схемах на ОУ не изменяются, последствия переключения гораздо менее заметны.
Заключение
Использование усилителя с rail-to-rail входами может дать много преимуществ, таких, например, как максимальное расширение динамического диапазона сигнальной цепи или сокращение списка необходимых компонентов. Есть некоторые вещи, о которых не следует забывать, например, о разрыве графика VOS во время переключения входных каскадов. Впрочем, как я уже говорила, это не препятствие, а скорее неудобство.
Материалы по теме
- Datasheet Texas Instruments OPAx836
- Datasheet Texas Instruments THS4281
Перевод: Дмитрий Иоффе по заказу РадиоЛоцман
Низковольтные rail-to-rail операционные усилители фирмы Maxim/Dallas
Компания Maxim/Dallas выпускает широкую номенклатуру радиоэлектронных компонентов, в том числе и операционных усилителей. В статье кратко описываются так называемые «rail-to-rail» операционные усилители, допускающие изменение входного синфазного сигнала от нуля до напряжения источника питания при однополярном питании или от отрицательного до положительного источника при двуполярном и обеспечивающие выходное напряжение в том же диапазоне.
Операционные усилители, допускающие изменение входных синфазных сигналов в полном диапазоне питающих напряжений, очень удобны во многих областях применения. Компания Maxim/Dallas выпускает более 150 типов таких ОУ. Для первичного ознакомления рассмотрим приборы, работающие при напряжения питания 2,85 В и менее, имеющие в корпусе один или два ОУ и выпускаемые в корпусах для поверхностного монтажа SC70 и SOT. Перечень таких микросхем приведен в табл. 1, а схематическое изображение корпусов и разводка выводов — на рис. 1.
В таблице приняты следующие обозначения:
N — число ОУ в корпусе; ShDn — возможность выключения ОУ по входу Shutdown; КУ МИН — минимальный коэффициент усиления, при котором сохраняется его устойчивость; UПИТ — диапазон питающих напряжений при однополярном питании; IПИТ МАХ — максимальный ток потребления микросхемы; UСМ — напряжение смещения нуля; КОС.СФ — коэффициент ослабления входного синфазного напряжения; КВЛ.ИП — коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения; IВХ — входной ток; f1 — частота единичного усиления; VUВЫХ — максимальная скорость нарастания выходного напряжения; UШ — спектральная плотность шумового напряжения, приведенная к входу; IШ — спектральная плотность шумового входного тока; fШ — частота, на которой нормируются UШ и IШ.
Цена микросхем указана для покупки в США партии не менее 1000 шт.
ассмотрим некоторые особенности перечисленных в табл. 1 операционных усилителей. Все они обладают очень полезным свойством — при перегрузке по входам полярность выходного сигнал не меняется. Большинство усилителей имеет на входе резистивно-диодную защитную цепь (рис. 2), резко снижающую входное сопротивление при превышении входным сигналом уровня порядка 2 В. Для некоторых микросхем пороговое напряжение, при котором происходит снижение входного сопротивления, существенно ниже, поскольку у них в защитной цепи только два диода, а не шесть.
Операционные усилители МАХ4122 и МАХ4124 на нагрузке 250 Ом обеспечивают выходное напряжение, лишь на 300 мВ не доходящее до напряжения питания. Аналогичными свойствами обладает ОУ МАХ4130.
ОУ МАХ4162 имеет уникальное входное сопротивление для дифференциального сигнала — более 1013 Ом. Напряжение питания этой микросхемы может достигать 10 В. В ОУ нет защитной входной цепи, а синфазный входной сигнал может заходить за уровни напряжения питания на 250 мВ. Таким же свойством обладают и некоторые другие ОУ.
КМОП ОУ микросхем МАХ4230-МАХ4232 обеспечивают выходной ток до 30 мА и скорость нарастания выходного сигнала до 10 В/мкс.
Микросхема МАХ4240 может гарантированно работать при напряжении питания 1,8 В, потребляя при этом менее 18 мкА. Синфазный входной сигнал может заходить за уровни напряжения питания.
Микросхемы МАХ4321-МАХ4323 могут работать на нагрузку 250 Ом.
КМОП ОУ МАХ4490 и МАХ4491 обладают минимальным уровнем шумов.
Большинство серий микросхем, перечисленных в табл. 1, имеют продолжения в виде приборов, содержащих по два и четыре ОУ в одном корпусе.
Следует отметить, что сайт компании Maxim/Dallas очень удобен для подбора радиоэлементов. Из имеющегося обилия однотипных компонентов можно автоматически отобрать нужные по заданным параметрам — числу ОУ в корпусе, напряжению питания, быстродействию, смещению нуля, коэффициенту усиления и по всем другим функциональным возможностям. Список отобранных компонентов можно отсортировать по возрастанию или убыванию величины какого-либо параметра, а щелкнув по обозначению микросхемы, получить справочные данные (data sheet), а также модели для отобранных микросхем.
Что значит «rail-to-rail» усилитель? (по русски!)
Русского термина нет. Это операционный усилитель, выходное напряжение которого может меняться от минусового напряжения питания до плюсового. И синфазный сигнал допустим в этих же границах.
Алексей МеркуловПрофи (628) 8 лет назад
понятно. т. е. он может работать с двуполярным сигналом
Сергей Гаврилов Искусственный Интеллект (185236) Любой ОУ может работать с двуполярным сигналом. Но обычно рабочий диапазон напряжений меньше, чем питание. А здесь рабочий диапазон упирается в шины питания.
Федор НовиковИскусственный Интеллект (347166) 8 лет назад
добавлю: в отличие от старых усилителей с биполярными транзисторами на выходе, которые могли давать напряжение на 1-3 Вольта меньше напряжения питания.
Операционные усилители Rail to Rail от STMicroelectronics
STMicroelectronics, являясь одним из лидеров в производстве аналоговых полупроводниковых компонентов, делает основной прицел в этой области на операционные усилители. Компания предлагает широкий спектр ОУ, включая полностью законченное семейство, называемое Rail to Rail. Разнообразие выпускаемых ОУ позволяет удовлетворить спрос в области различных разработок как индустриальной, так и бытовой техники, а также портативного микродизайна, как то, карманных MD-плейеров или мобильных телефонов.
Сегодня популярность Rail to Rail ОУ быстро растет, что обусловлено требованиями промышленности, вызванными ее стремлением в область низковольтных применений. Основные потребители в этом сегменте рынка — производители портативных устройств, питающихся от миниатюрных батарей или аккумуляторов. Причиной работы на низких напряжениях является все большее увеличение скоростей обработки сигналов и, как результат, необходимость снижения потребляемой мощности. (Вспомните, что увеличение скорости передачи цифровых данных требует большего энергопотребления.)
Почему именно Rail to Rail?
Так как во многих областях применения ОУ наблюдается тенденция снижения напряжения питания (3 В и ниже), стандартные операционные усилители уже не могут выдавать широкий размах выходного сигнала без искажения его динамических характеристик.
Полный выходной сигнал — от отрицательного уровня питания к положительному (from negative Rail to positive Rail) достигается с применением ОУ с «Rail to Rail» архитектурой (отсюда и название «Rail to Rail») которые могут быть рассмотрены как следующий шаг после однополярных ОУ.
На рис. 1–3 представлены графики, поясняющие отличие разных видов операционных усилителей.
Рис. 1. Семейство ОУ Rail to Rail
Рис. 2. Однополярное питание TS321, LM324–LM2902, LM358–LM2904, TS27x–TS27Lx–TS27Mx
Рис. 3. Стандартные ОУ JFET ОУ типа TL06x–TL07x–TL08x, большинство биполярных ОУ
Как выбрать Rail to Rail ОУ?
Как выбрать необходимую микросхему из целого семейства приборов? Опыт STMicroelectronics в области аналоговых разработок показывает, что ключевыми параметрами здесь являются GBP (Gain-Bandwidth Product — граничная частота) и Icc (ток потребления) (рис. 4).
Рис. 4
Несколько примеров применения Rail to Rail
Видеоусилители: TSH70/1/2/3/4/5
Семейство TSH7x с быстродействующей обратной связью предлагает ОУ с GPB индексом равным 70 МГц, скоростью нарастания 130 В/мкс и квази-Rail to Rail выходом. Широкий диапазон напряжения питания от 3 до 12 В делает этот прибор простым в применении во многих разработках. Основное назначение микросхемы — работа в диапазоне частот видеосигнала. Прибор выдает на выходе 2 Vpp на 150-Омную нагрузку даже при напряжения питания 3,3 В.
Семейство также включает в себя версию TSH71/3/5 c функцией Standby. В режиме Standby выход прибора переключается в высокий импеданс, что, с одной стороны, позволяет снизить потери тока на 75-Омной нагрузке, и, что более важно, эта функция позволяет соединять параллельно выходы нескольких подобных источников видеосигнала. Последнее позволяет неограниченно комбинировать приборы друг с другом, и осуществлять их взаимное матрицирование.
Важным для высокопроизводительных разработок является высокая линейность прибора (дифференциальное усиление/фаза) и отношение сигнал/шум.
Малое число гармоник и интермодуляционных искажений, равно как и малая групповая задержка, позволяет применять прибор для большого числа устройств с широкой полосой частот. Областями применения микросхем семейства TSH7x являются обработка видеосигнала, привязка уровня, усиление, эквалайзинг, кабельное буферирование.
«Долг» перед 3-вольтовыми системами — TS921/2/4/5
TS92x — одинарный, сдвоенный и счетверенный ОУ — изготавливается по продвинутой биполярной технологии. Этот прибор разработан так, чтобы гарантировать особую линейность и низкое входное напряжение смещения, равно как и обеспечение выходного тока 80 мА при напряжении 2,7 В.
Благодаря большому запасу по фазе и высокому коэффициенту усиления TS92x Rail to Rail ОУ остается в стабильном состоянии даже при работе на высокую емкостную нагрузку на выходе. С 4 МГц GPB индексом, микровольтным входным напряжением смещения и низким напряжением шума на входе прибор может использоваться там, где требуется высокое усиление и точность.
В дополнение отметим, что TS925 имеет режим Standby и встроенную фантомную землю (Vcc/2) для простого и компактного дизайна.
Низкий уровень шумов, малый THD и высокий выходной ток делают семейство TS92x абсолютным кандидатом для аудиоразработок. TS92x может напрямую работать на 32-Омный наушник головного телефона даже при низком напряжении питания батареи.
Разработанный изначально для применения в мобильной телефонии, прибор становится все более популярным в мире портативных аудиоустройств.
Основные характеристики прибора: