Микромощные операционные усилители

Как и в обычных ситуациях, при разработке линейных устройств соблазнительно отказаться от дискретных маломощных транзисторов в пользу микромощных операционных усилителей (ОУ), предусматривая, что они могут обеспечить необходимые рабочие характеристики. Постоянный прогресс в технологии биполярных линейных интегральных схем наряду с улучшениями в производстве интегральных КМОП-схем привел к обоснованному выбору микромощных ОУ. Имеется, однако, несколько серьезных компромиссов и конструкторских неудобств при использовании микромощных ОУ. Давайте рассмотрим некоторые из этих проблем.

Микромощные операционные усилители

При всех остальных одинаковых характеристиках уменьшение рабочего тока ОУ вызывает соответствующее понижение частоты единичного усиления fт и максимальной скорости нарастания выходного напряжения, увеличение выходного полного сопротивления Zвых, появление искажений типа «ступенька» и возрастание входного шумового напряжения еш. В большинстве случаев имеется также тенденция к снижению имеющегося выходного тока возбуждения Iвых.

Кроме этих нежелательных характеристик схемные ухищрения, необходимые при проектировании микромощных ОУ, могут привести к дополнительным патологиям. Например, вероятность низкочастотных возбуждений (рокот из-за самовозбуждения НЧ-каскадов), ключевой режим с фиксацией состояния или недостаточный диапазон схемы подстройки входного смещения.

Во многих случаях микромощное проектирование означает проектирование с батарейным питанием, зачастую с единственным (и вероятно, нестабилизированным) источником постоянного напряжения. Функционирование ОУ при наличии единственной низковольтной батареи приведет только к ограничению размаха выходного сигнала. Для того чтобы сохранить хороший динамический диапазон и точность при этих малых сигналах, необходимо иметь меньшие значения Uсдв по сравнению с обычной схемой с напряжением источника питания ± 15 В.

Например, ОУ, который может обеспечить размах выходного сигнала только на 2 В ниже максимальных перепадов источника питания, ограничен в обеспечении максимального двойного размаха напряжением 3 В. При этом если запитывать его от единственной батареи с напряжением 9 В (которое падает до 7 В в конце срока службы). Сравните с 26 В двойного размаха при запитывании от источника питания с напряжением ±18 В.

В этом примере нам потребовалось бы поддерживать входные смещения ОУ приблизительно в 10 раз меньше (при проектировании с батарейным питанием) с целью поддержания эквивалентной точности.

Программируемые и микромощные ОУ

Существуют две категории операционных усилителей, которые пригодны при проектировании микромощных устройств, а именно программируемые ОУ и микромощные ОУ.

Программируемые ОУ (см. «Микромощные и программируемые операционные усилители») аналогичны обычным ОУ, но имеют дополнительный контакт «программирования», который позволяет установить рабочие токи внутри самой ИС. Типично для программируемых ОУ использование токовых зеркал в различных модификациях с целью задания рабочих токов их внутренних каскадов таким образом, что сам общий рабочий ток покоя кратен этому программируемому току Iyст. Обычный способ задания тока Iп состоит в том, чтобы «прицепить» резистор между контактом программирования и одним из источников питания (обычно U_), поскольку контакт программирования непосредственно питает током токовое зеркало.

Допустимы токи покоя, достигающие микроампера или меньше, но при соответствующем ухудшении динамических характеристик (например, при Iп = 1 мкА программируемый ОУ 4250 имеет SR = 0,005 В/мкс и fт = 0,01 МГц). Некоторые наиболее популярные программируемые ОУ — это LM346 и 4250 (оба биполярные) и КМОП ОУ СА3440.

Микромощные ОУ представляют собой просто ОУ, спроектированные с такой внутренней структурой, чтобы работать при низком токе покоя, но без контакта программирования. Примерами таких ОУ являются: прецизионные ОР-20 (45 мкА) и ОР-90 (12 мкА макс.) и «ЛинКМОП» TLC27L2 (20 мкА) фирмы TI.

Вариации на эту тему связаны с выбором рабочего тока, смотря, куда подключен контакт выбора к U + или U _ или оставлен свободным. Таким образом работают TLC271 и ICL7612, при этом допускается выбор рабочих токов 10 мкА, 100 мкА и 1 мА.

Пример разработки на ОУ: прибор для отыскания неисправностей типа узел прокола

Давайте начнем с простого примера, а именно посмотрим, как производится разработка устройства на микромощном ОУ. Мудреной проблемой отыскания повреждений является поиск так называемых узловых точек прокола, в которых имеется закоротка где-нибудь на печатной плате. Это может быть реальное короткое замыкание в самом монтаже или случай, когда выход какого-нибудь прибора (например, цифрового формирователя с третьим состоянием) находится в фиксированном состоянии.

Такое повреждение найти трудно, поскольку, где бы вы ни измерили потенциал на этой линии связи, получается нулевое напряжение относительно шины земли.

Однако в устройстве, которое обеспечивает разрешение этой проблемы, должен использоваться чувствительный вольтметр для измерения падения напряжения вдоль проводника с проколом. Типовой сигнальный проводник на печатной плате может быть шириной 0,3 мм и толщиной 0,033 мм и иметь сопротивление вдоль этого проводника 44 мОм на дюйм (2,54 см). Итак, если имеется прибор, блокирующий где-нибудь линию на землю, а мы вводим диагностирующий постоянный ток в 10 мА где-нибудь еще, то будет падение напряжения 440 мкВ на дюйм по направлению к узлу прокола.

Давайте спроектируем прибор для поиска неисправности типа узел прокола. Его питание должно осуществляться от батареи, так чтобы он мог при испытании быть взвешенным относительно находящейся под питанием схемы. Он должен быть достаточно чувствительным для того, чтобы отображать такое малое падение напряжения, как ±100 мкВ, на измерительном приборе с центральной нулевой точкой. В идеальном случае хорошо было бы иметь нелинейную шкалу с тем, чтобы даже при падениях напряжения в десятки милливольт показания прибора не выходили за пределы шкалы. При микромощном проектировании можно было бы исключить выключатель питания, поскольку 9-вольтовые батареи или элементы АА-типа обеспечивают почти полное время жизни (соответственно 500 мА∙ч и 1400 мА∙ч) при токах потребления меньше 20 мкА.

При использовании взвешенного батарейного питания наиболее простая схема содержит неинвертирующий усилитель с высоким коэффициентом усиления, который работает на измерительный прибор с нулевой центральной точкой шкалы

плавающий усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления и ограничивающими выходной сигнал диодами. Микромощные операционные усилители
Прибор для поиска неисправностей: плавающий усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления и ограничивающими выходной сигнал диодами

Поскольку вход и выход являются по сути биполярными, вероятно, будет лучше использовать пару АА-элементов. И обеспечить питание ОУ от нестабилизированных источников питания ± 1,5 В. Обратно включенные диоды Шоттки уменьшают коэффициент усиления при больших размахах сигнала и предотвращают зашкаливание прибора.

На рисунке представлены его результирующие характеристики, т. е. в зависимости от напряжения Uвх.

Прибор для поиска неисправностей обеспечивает большой динамический диапазон с помощью нелинейной обратной связи. Микромощные операционные усилители
Прибор для поиска неисправностей обеспечивает большой динамический диапазон с помощью нелинейной обратной связи

Следует отметить, что входной резистор цепи защиты в случае превышения напряжениями значений ± 1,5 В подключается поперек входов. Резистор с номиналом 10 кОм поперек входа поддерживает нулевое напряжение на выходе, когда прибор не подключен к испытываемой схеме.

Главная трудность при таком проектировании состоит в обеспечении выходного смещения не более 100 мкВ, в то время как сохраняется микромощный ток потребления. Все это должно быть при напряжениях источника питания как раз ± 1,5 В.

ОУ типа TLC251A предназначен для работы в условиях, когда общее напряжение источника питания достигает 1 В, а его КМОП выходной каскад дает размах сигнала, соответствующий полному перепаду напряжений питания. Он имеет выбираемые рабочие токи, а именно 10 мкА, 150 мкА и 1 мА. Как и следовало ожидать, мы выбираем ток 10 мкА (подключая контакт 8 ОУ к U+). При таком выборе уменьшается скорость нарастания и ширина полосы пропускания, что нам безразлично, но реально улучшается дрейф входного смещения (0,7 мкВ/°C).

Неподстроенное входное смещение составляет 5 мВ и его, очевидно, придется скомпенсировать. Однако вот краткая выдержка из технических условий, а именно:

«Величина нулевого диапазона меняется в соответствии с выбором напряжения смещения … При малом смещении или когда ОУ TLC251 используется при напряжении питания ниже 4 В общее приведение к нулю может не обеспечиваться на всех экземплярах».

Если же при подстройке напряжения смещения обычным образом схема все же не работает, то спроектируйте свою собственную. Пока обращаемся к предлагаемой схеме. Она гарантирует работу, поскольку можно подавать больше 5 мВ на инвертирующий вход. И это увеличит ток потребления только на 3 мкА. Но это компромиссное решение, поскольку сама подстройка зависит от напряжения нестабилизированной батареи. Ток подстройки пропорционален напряжению батареи так, что в худшем случае (начальная входная погрешность полные 5 мВ) дрейф напряжения смещения составит 50 мкВ на процент изменения напряжения батареи.

Раньше не было четкого решения этой проблемы. Однако ОУ типа ОР-90 фирмы PMI счастливо обеспечил прекрасное решение. ОР-90 представляет собой микромощный ОУ с током питания 12 мкА. Может работать при напряжениях источников питания вплоть до + 0,8 В. В своей лучшей модификации (ОР-90Е) он имеет Uсм = 150 мкВ (макс.), не подстраиваемое.

Хотя это и биполярный ОУ, размах его выходного напряжения в целом достигает отрицательного перепада и падение напряжения на диоде ниже положительного перепада, что в данном случае достаточно хорошо. Для этой прикладной задачи было бы, вероятно, более разумно купить дешевый образец (OP-90G, 0,5 мВ) и подстроить его напряжение смещения с помощью внешней цепи.

Одним из преимуществ от использования микромощного ОУ с фиксированным смещением по сравнению с программируемым операционным усилителем является то, что подстройка напряжения смещения гарантирует работу.

Многоцелевые микромощные ОУ

Первым программируемым ОУ (в действительности первый маломощный ОУ) был биполярный ОУ типа 4520, выпущенный в 1967 г. фирмой Union Carbide, которая впоследствии продала свою поточную линию по выпуску линейных схем фирме Solitron. В 1970 году ОУ 4250 стоил 42,5 долл. Они сразу стали популярными (и еще остаются) и широко выпускаются вторичными фирмами-изготовителями.

ОУ 4520 пригоден для работы вплоть до микроамперных токов или около того и будет работать с общим напряжением источника питания 2 В. Он дешев и обеспечивает приличные рабочие характеристики.

ОУ 4250 обладает одной характерной конструктивной особенностью, которая может привести к проблемам, когда он работает на малом токе. Он имеет забавную цепь смещения. Эта цепь обеспечивает дополнительный ток в каскадах выходных формирователей, если выходной ток через нагрузку на землю является большим (по сравнению с током Iуст, умноженным на пару h21э).

При этом предполагалось обеспечить помощь в запитывании чрезмерных нагрузок, но тогда сама схема может получить обратный пробой, если переборщить с формирователями, отбирающими ток питания от остальной части ОУ. Сам ОУ тогда выключается, происходит разряд через корректирующий конденсатор, затем напряжение снова быстро возрастает и т. д., что приводит к низкочастотным колебаниям с частотой в несколько сотен герц.

Этот недостаток был устранен в счетверенном биполярном ОУ LM346, который не «моторная лодка», но который из-за этого, следовательно, имеет жалкую производительность по выходному вытекающему, току при низких токах питания.

Зависимость выходного возбуждения (вытекающий и втекающий ток) различных программируемых ОУ от тока источника питания
Зависимость выходного возбуждения (вытекающий и втекающий ток) различных программируемых ОУ от тока источника питания

ОУ 346 представляет собой в других отношениях чудесный ОУ, организованный как один ОУ плюс, строенный ОУ с соответствующей парой входов программирования.

Одна проблема, характерная для биполярных программируемых ОУ, которые функционируют при очень низких токах, связана с тем, что входной ток смещения не падает так же быстро, как ток потребления от источника питания. Т. е. коэффициент передачи бета входного каскада уменьшается при малом токе коллектора. Например, ОУ LM346 имеет относительно большое значение тока Iб (макс.) порядка 100 нА при функционировании при токе 35 мкА на один ОУ. Эта проблема часто становится серьезной, поскольку в большинстве программируемых ОУ во входных каскадах не используется схема Дарлингтона или супер-бета-транзисторы.

При проектировании более современных программируемых ОУ особое внимание уделяется полевым МОП-транзисторам, в качестве примера можно привести следующие серии: lCL761x фирмы Intersil, «ЛинКМОП» TLC250/270 фирмы TI и СА3440 фирмы RCA. Все они имеют токи смещения в пикоамперном диапазоне, все допускают подачу синфазного сигнала в диапазоне вплоть до отрицательного перепада напряжения питания.

ОУ типа ICL7612 имеет дополнительную полезную особенность, а именно возможность функционирования при размахе входного синфазного сигнала выше обоих перепадов питания. Выходные каскады на полевых МОП-транзисторах могут обеспечивать размах сигнала до уровней напряжения питания. Выходные каскады ОУ серии 761х все могут достигать насыщения на уровне обоих напряжений питания, в то время как ОУ серии TLC250/270 достигают насыщения только при отрицательном напряжении питания.

Только ОУ типа 3440 является полностью программируемым (другие предлагают выбор в виде трех токов питания) и считается неоспоримым чемпионом при работе на крайне низких токах. Его можно запустить при токах питания в несколько наноампер, хотя при этом не будут обеспечиваться характеристики по скорости. При токе питания 100 нА ОУ 3440 имеет скорость нарастания 0,0004 В/мкс, а его fт = 200 Гц! Однако вследствие своей МОП-структуры он еще обеспечивает хорошую производительность по выходу (1 мА при общем перепаде напряжения питания 2 В). ОУ 3440 представляет собой хороший выбор для микромощного проектирования.

Семейство ЛинКМОП ОУ фирмы TI (серии TLC250/270) имеет некоторые очень привлекательные особенности, включая (аналогично 3440) хорошую производительность по выходу при низком токе питания. В нем используется технология легирования фосфором поликремниевого затвора с тем, чтобы получить крайне низкий временной дрейф напряжения смещения (0,1 мкВ/мес) и избежать традиционной хилости ОУ и компараторов на МОП-транзисторах с металлическим затвором.

Для большинства ОУ по КМОП-технологии (включая и все упомянутые выше) характерна проблема, связанная с ограничением общего напряжения питания. В типовом случае 16 В (например, ±8 В макс.). Это плохие новости. Хорошей же новостью является то, что они могут работать при очень низких общих напряжениях источника питания

(2 В — для 761x, 1 В — для TLC250, 4 В — для 3440).

В таблице 1 и 2 собраны данные о микромощных и программируемых ОУ, по которым имеется информация.

таблица. Микромощные операционные усилители
Таблица 1. Микромощные операционные усилители
таблица 2. Программируемые операционные усилители
Таблица 2. Программируемые операционные усилители

Разнообразные идеи: микромощные ОУ

Контакт программирования можно использовать в качестве удобного управления выключением питания, как это показано на рисунке.

Микромощные операционные усилители. Использование контакта программирования для управления отключением питания.
Использование контакта программирования для управления отключением питания.

Это проще, чем коммутировать напряжения источников питания ОУ. Большинство программируемых операционных усилителей (3440, 4250) работает на втекающем токе Iyст, как это показано на рисунке, так что можно использовать эту простую цепь. Хорошая идея — подключить высокоомный поддерживающий резистор на положительный источник питания ОУ для обеспечения шунтирования токов утечки и, следовательно, гарантированного полного выключения.

Некоторые ОУ являются «квазипрограммируемыми» в том смысле, что они допускают выбор нескольких фиксированных рабочих токов (в типовом случае 10 мкА, 100 мкА и 1 мА). Примерами этого могут служить ОУ ILC7612 и TLC251/271. Серия TLC250/270 к тому же имеет в корпусе несколько ОУ с «низким» (10 мкА на секцию), «средним» (150 мкА на секцию) и «высоким» (1 мА на секцию) значением тока покоя. Значения тока определяются по части цифрового обозначения, а именно TLC27L2 (соответственно низкий ток, сдвоенный), TLC27M4(средний ток, счетверенный) и TLC274 (высокий ток, счетверенный).

При использовании КМОП-операционных усилителей в режиме компаратора следует остерегаться больших временных дрейфов напряжения Uсм. Они вызываются миграцией ионов натрия в области затвора при долговременной подаче входного дифференциального напряжения. Это не будет оказывать влияния на их работу в качестве ОУ, где обратная связь приводит к нулю дифференциальное входное напряжение. Серия TLC270 не страдает этой болезнью из-за ее легированного фосфором поликремниевого затвора.

Некоторые КМОП-ОУ характеризуются драматическим увеличением входного тока (утечки), когда работают при высоком напряжении питания и ненулевом входном напряжении. Например, семейство ЛинКМОП ОУ фирмы TI может иметь ток Iвх порядка 20 нА при напряжении Uвх= + 2 В и Unum = ± 9 В. Напомним также, что всем ОУ на полевых транзисторах (как на полевых с p-n-переходом, так и на полевых МОП) присуще катастрофическое возрастание входного тока при повышении температуры, в типовом случае удваиваясь каждые 10 °C. При высоких температурах ОУ на полевых транзисторах часто имеют более высокие входные токи, чем хорошие биполярные типы.

Входной ток усилителя на ПТ – это ток утечки затвора, который удваивается при повышении температуры
Входной ток усилителя на ПТ – это ток утечки затвора, который удваивается при повышении температуры на каждые 10 °C.

Это неприятный факт, что большинство микромощных ОУ имеют внутреннюю коррекцию для обеспечения единичного усиления. При низких токах покоя нам необходимы вся скорость нарастания и полоса пропускания, какие только можно получить. Было бы чудесно приобрести декомпенсированные или некомпенсированные микромощные ОУ для использования в прикладных задачах с большим коэффициентом усиления. Имеется один такой ОУ, а именно, ОР-32 фирмы PMI, но его скорость нарастания и частота fт лишь слегка лучше, чем у единично-компенсированных ОУ, таких, как 4250 и 346.

К началу ↑