Микромощные компараторы, таймеры и генераторы
Микромощные компараторы
Те же самые компромиссы между скоростью и мощностью, которые ограничивают эксплуатационные данные микромощного операционного усилителя, применимы и к компараторам. Если сравнивать обычные компараторы и операционные усилители (ОУ), всегда можно получить лучшие характеристики по быстродействию у компаратора, а не у ОУ, эквивалентной мощности. Это происходит вследствие того, что интегральные компараторы не предназначены для использования в режиме с отрицательной обратной связью и в них отсутствует снижающая быстродействие частотная коррекция. Конечно, если не беспокоиться о быстродействии, то ОУ будет зачастую решать задачи лучшим образом.
Аналогично ОУ микромощные компараторы выпускаются в двух разновидностях, а именно, с программируемым и фиксированным током Iп. Примером первого может служить LP365 — счетверенный программируемый биполярный компаратор, который характеризуется общим током потребления от источника питания 10 мкА. Он может работать при общем напряжении источника питания от 4 до 36 В и имеет отдельный выходной эмиттерный контакт (как 311). Таким образом, можно сравнивать отрицательные напряжения и в то же время вырабатывать сигнал на логическую схему.
Примером второго может служить LР339 — микромощная версия (15 мкА на секцию) популярного маломощного (200 мкА на секцию) счетверенного компаратора LM339. Фирма TI выпускает КМОП-аналоги схемы 339/393 (TLC339/393) даже с еще меньшим током покоя и прекрасными рабочими характеристиками по быстродействию и мощности. Они также поставляют их с активными привязками (TLC3702/4), так что можно не тратить впустую драгоценный ток (и быстродействие) на внешнюю резистивную привязку.
Необычный микромощный компаратор — LT1040, в который введено выключение питания, что позволяет достичь среднего значения тока покоя в 0,1 мкА при внешнем стробировании раз в секунду. В противоположность этому можно использовать внутренний стробируемый генератор, который потребляет дополнительно 0,5 мкА. Времени ожидания в 1 с совершенно достаточно, если контролируются медленно меняющиеся величины, например уровень топлива в баке.
Интегральная схема (ИС) LT1040 представляет собой счетверенный компаратор, выполненный по КМОП-технологии. Компаратор имеет выходные ключевые схемы с фиксацией состояния. Кроме того, он имеет выходной контакт «импульсного питания», который находится в активном состоянии около 80 мкс в течение времени преобразования. Так что можно запитать резистивную цепь (например, мостовую цепь с термистором в одной из ветвей) на входе также от выключаемого источника питания. Эта микросхема (или ее ближайший аналог LT1041) была бы хорошим выбором к тому же в качестве низкочастотного микромощного генератора, поскольку микроамперные генераторы не так-то просто разработать. Однако следует отметить, что генератор будет нестабильный.
Можно применить выключаемый источник и для питания обычных (т. е. быстродействующих) компараторов, если хотите провести редкие сравнения в известные моменты времени. Например, если необходимо выполнить акустическое измерение дальности путем подачи коротких звуковых посылок, а затем измерить двойное время прохождения сигнала в прямом и обратном направлении по приходящему эху. При измерении разности между временами прихода начала и конца посылок мы сможем даже измерить скорость.
Здесь важно быстродействие. С помощью логических КМОП-схем можно решить эту задачу, но, вероятно, появится желание заполучить рабочие характеристики полномощного компаратора. Выключение источника питания здесь вполне уместно, поскольку мы знаем, когда необходимо проводить само измерение.
В таблице 1 представлены некоторые маломощные компараторы.
а — КМОП — выходной КМОП-сигнал с размахом до обоих напряжений питания, ОК — открытый коллектор n-р-n-транзистора, ОС — открытый сток транзистора с n-каналом. ТТЛ-активная привязка, ТТЛ на выходе к верхнему уровню, при которой нагрузка подключается к более положительному источнику.
Микромощные таймеры и генераторы
В инструментальных средствах, питание которых производится от батареи, часто требуется формировать интервалы времени в час или около того. Может потребоваться провести редкие измерения с помощью различных датчиков, с помощью микропроцессора с выключаемым источником питания и системы связи (или регистрации данных) с выключаемым источником питания. Вся эта система должна «просыпаться» в заранее определенные моменты времени.
Час — это достаточно большое время для установки выдержки времени с помощью RС-цепи. Т.е. потребуется более высокочастотный генератор и делитель (возможно, программируемый для задания интервала до следующего «просыпания»). Поскольку сам таймер — это только часть системы, которая функционирует постоянно, необходимо обеспечить его работу при низком значении тока. Какой же имеется выбор?
КМОП-релаксационные генераторы
Первая вещь, которую следует отметить, это то, что обычный КМОП-релаксационный генератор серии 4000, работающий при нормальных напряжениях, отбирает довольно большой ток в режиме класса А. Это происходит, главным образом, вследствие электропроводности между шинами питания, когда входной сигнал достигает порогового для КМОП-схем значения во время каждой половины цикла. Этот средний ток лежит где-то в пределах 50 мкА, когда напряжение питания составляет 5 В (быстро повышаясь при более высоком напряжении питания). Как правило, значение тока не зависит от частоты колебаний.
Решению самой проблемы не поможет установка быстродействующих серий 74НС или 74АС. Однако если сам генератор работает при напряжении 3 В, например от литиевой батареи, то его ток питания будет лежать в микроамперном диапазоне. На рисунке ниже изображен такой микромощный генератор и указан ток потребления при различных напряжениях источника питания.
При установке логических схем серии 74НС получим генератор с очень маленьким джиттером (модуляция фазы), хотя стабильность по напряжению схемы этого типа плохая (в типовом случае изменение частоты на 10% при изменении напряжения от 1 В до 1,6 В).
Интегральные генераторы
IСМ7242 фирмы Intersil. Он представляет собой КМОП RC-генератор плюс 8-бит делитель, который работает при напряжении питания от 2 до 16 В и потребляет ток приблизительно 100 мкА при напряжении 5 В. Неприятен тот факт, что ток потребления не снижается значительно при низком напряжении источника питания. Типовой температурный коэффициент частоты составляет 2,5·10-4/°С.
ICM7240/50/60 фирмы Intersil/Maxim. Они аналогичны ICM7242, но имеют программируемые цифровые делители. Они потребляют такой же ток от источника питания.
ICM7207/A фирмы Intersil. Это КМОП кварцевые генераторы с делителями, предназначенные для обеспечения частот выходного сигнала соответственно 100 Гц/10 Гц и 10 Гц/1 Гц. Для получения этих частот необходимо использовать кварцевые резонаторы с частотами 6,5536 и 5,24288 МГц. Эти кристаллы потребляют ток 260 мкА при напряжении 5 В, который падает до 80 мкА при напряжении ЗВ. В их технических характеристиках записано, что они будут работать при снижении напряжения до 1 В на более низких частотах, токи потребления составят несколько микроампер.
ICM7555/6 фирмы Intersil и другие. Это КМОП-аналоги схемы 555, как правило, с улучшенными характеристиками (более низкий ток питания, более высокая максимальная частота, гораздо меньшие переходные процессы в токе питания). Ток покоя составляет 60 мкА при напряжении 5 В, который также почти равен рабочему току в режиме генератора, если используется большое значение времязадающего резистора. Типовое значение температурного коэффициента составляет 1,5·10-4/°С.
ИС 7556 — это сдвоенный 7555. Аналогичная схема LMC555 фирмы National потребляет ток 100 мкА и имеет температурный коэффициент 7,5·10-5/°C. Посмотрите в таблице статьи «таймер на 555 схеме в качестве генератора» параметры других схем 555.
Операционные усилители. Релаксационный генератор на ОУ построенный на микромощном ОУ, представляет собой хороший низкочастотный генератор. Используйте ОУ с подлинным КМОП выходным каскадом для обеспечения удвоенного размаха выходного сигнала между напряжениями питания, в особенности при низких напряжениях источника питания. И получите малое значение температурного коэффициента и надежную генерацию. В этом смысле хороши ОУ типа 7611/2.
LT1040. Это компаратор с выключаемым питанием выпускается фирмой Linear Technology и, как было указано выше, имеет внутренний микромощный генератор (ток 0,3 мкА на низкой частоте). Ток питания меняется линейно с частотой и определяется следующим образом: I(mкA) = f(Гц)/10. Генератор, в частности, нестабилен (0,2%/°С, 10%/В), но он определенно является микромощным на низких частотах.
COPS-таймер. ИС СОР498 фирмы National является представителем их COPS-серии микроконтроллеров с последовательным интерфейсом “MICROWIRE”. В состав ИС COPS498 входит схема кварцевого генератора с частотой 32,768 кГц, который функционирует при токе 20 мкА (макс.) при напряжении питания 2,4 В. Он должен программироваться через последовательную шину, но тогда он может формировать запускающие импульсы с частотой 1 или 16 Гц. Стабильность несколько единиц∙10-6/°С является типовой для кристаллов «камертонного» типа.
Тактовая синхронизация календаря. Схемы ММ58174/274 фирмы NSC служат типичным примером кристаллов хронометрирования микропроцессоров. Они запускаются от схем батарейной поддержки, когда выключается питание компьютера, и они сохраняют рабочее время и информацию о дате, которые считываются (и устанавливаются) через шину данных компьютера как порт ввода/вывода. Схема 58174 функционирует (генератор в работе) при токе 10 мкА (макс), напряжении питания 2,2 В. Аналогично кристаллу COPS его можно прерывать на периодические интервалы, но только в режиме потребления полной мощности и при напряжении питания 5 В (ток потребления 1 мА). Также подобно кристаллу COPS он должен программироваться через шину для установки интервала прерывания.
Другие популярные кристаллы тактовой синхронизации календаря — это DP8570 (фирма National), ICM7170 (фирма Intersil), MC146818 (фирма Motorola) и MSM5832 (фирма Oki). Некоторые из них позволяют использовать высокочастотные (1 МГц или выше) кварцевые резонаторы для обеспечения лучшей температурной стабильности. Фирма Epson выпускает кристалл тактовой синхронизации календаря с внутренним кварцевым резонатором (RTC58321).
Схемы для наручных часов. Имеются в наличии низковольтные КМОП-кристаллы, спроектированные для запуска шаговых двигателей в наручных часах с аналоговым отображением времени. Например, для останавливаемой схемы ICM7245 требовался кварцевый резонатор с частотой 32,768 кГц, который работает от напряжения питания 1,5 В (одноэлементная батарея) и потребляет ток только 0,4 мкА. Различные его разновидности вырабатывают выходные сигналы с частотами 1, 0,1 или 0,05 Гц. Поскольку он был спроектирован для хронометрирования, то обладает очень хорошей стабильностью, в типовом случае 10-7 во всем диапазоне напряжения питания.
Фирма National предлагает схему ММ5368, выпускаемый в мини-DIP-корпусе генератор с частотой 32 кГц, который потребляет ток 50 мкА (макс) при напряжении 3 В и обеспечивает частоты выходного сигнала 1, 10 и 50/60 Гц. Их ИС ММ53107 потребляет ток 75 мкА при напряжении 3 В и при использовании кварцевого резонатора с частотой 1 МГц обеспечивает частоту выходного сигнала ≈ 30 Гц.
Программируемый однопереходный транзистор. Однопереходный транзистор (ОПТ) представляет собой трехконтактный (эмиттер, база 1, база 2) прибор с отрицательным сопротивлением, который пользовался определенной популярностью в 60-х годах в триггерных схемах и несинхронизируемых генераторах. Этот прибор переходит в «тяжелый режим» от эмиттера к базе, когда контакт эмиттера становится более положительным, чем критическое напряжение триггера
Uтр = ƞUББ + 0.6,
где ƞ — это «отношение входного сопротивления к межбазовому сопротивлению» и в типовом случае составляет около 0,6. Т. е. напряжение на эмиттере должно быть больше на падение напряжения на диоде выше фиксированной доли ƞ межбазового напряжения. Транзистор продолжает проводить до тех пор, пока эмиттерный ток не упадет ниже некоторого минимального («тока впадины») значения.
Схема классического генератора на ОПТ с положительными импульсами в цепи базы В1, которые используются для переключения n-p-n-транзистора с целью формирования логических уровней представлена на следующем рисунке:
Навряд ли можно найти ОПТ в каких-либо других схемах, поскольку и ОУ, и ИС типа 7555 могут выполнить эту задачу лучше. Однако существует необычная серия ОПТ, известная как программируемые однопереходные транзисторы, в которых триггерные параметры (ƞ, ток вершины и ток впадины) можно устанавливать с помощью внешнего делителя. Прибор 2N6028, в частности, предназначен для пиковых токов порядка 0,1 мкА и может, следовательно, работать в режиме генератора с током, не превышающем микроампер.
На рисунке ниже изображен генератор на частоте 10 Гц с выходными КМОП-логическими уровнями и рабочим током 1 мкА:
Еще один пример схемы на ОПТ:
