- Особливості посилення малопотужних низькочастотних сигналів
- Принцип роботи чопперная операційних підсилювачів
- Особливості використання чопперная ОУ
- Нові підсилювачі виробництва STMicroelectronics
- Висновок
- Про компанію ST Microelectronics
Чопперная операційні підсилювачі з близьким до нульового дрейфом ідеальні для посилення малопотужних низькочастотних сигналів в прецизійних додатках, таких як датчики і вимірювальні пристрої промислової і автомобільної автоматики, портативні і високоточні медичні та лабораторні прилади, інструментальні підсилювачі, системи збору даних, системи контролю електродвигунів. Компанія STMicroelectronics поповнила лінійку цих виробів двома новинками - широкосмуговим TSZ182 і TSU111 з надмалим енергоспоживанням.
Характеристики операційних підсилювачів (ОУ) все більше наближаються до ідеальних, однак створення ОУ, у якого всі параметри знаходяться на однаково високому рівні, або неможливо технічно, або дуже дорого. Тому сучасні операційні підсилювачі діляться на прилади загального призначення і спеціалізовані, призначені для вирішення певного кола завдань. Спеціалізовані ОУ мають високі значення одного або декілька параметрів при збереженні інших на середньому або низькому рівні.
До спеціалізованих ОУ відносяться підсилювачі з нульовим дрейфом, що відрізняються зниженою напругою зміщення, малим рівнем мерехтіння шуму (рожевого шуму, галасу 1 / f), а також надзвичайно малим дрейфом напруги зсуву в широкому температурному діапазоні. Зазвичай ці ОУ використовуються для побудови підсилювачів з високим коефіцієнтом посилення (> 100), призначених для роботи зі слабкими сигналами з частотою не більше 100 Гц. Завдяки вкрай малою похибки і високої точності протягом всього терміну експлуатації їх з успіхом застосовують в прецизионном метрологічному і медичному обладнанні, розрахованому на термін експлуатації не менше 10 років.
Особливості посилення малопотужних низькочастотних сигналів
При посиленні сигналів, що містять постійну складову, власне напруження зсуву ОУ (Offset voltage - диференціальне напруга на вході, при якому вихідна напруга дорівнює нулю) підсумовується з корисним сигналом, що призводить до появи помилки. На сьогоднішній день типове значення цього параметра для ОУ широка громадськість, становить 5 мВ, для прецизійних - 0,4 мВ, що явно недостатньо для більшості високоточних додатків.
Крім цього, при проходженні сигналу через будь-який підсилювач, в тому числі і ОУ, до корисного сигналу через специфіку внутрішніх фізичних процесів в приладі додається шум. Для напівпровідникових елементів спектральна щільність внесеного шуму зменшується з ростом частоти за законом 1 / f, тому її максимум знаходиться в області низьких частот. Високий рівень шуму ОУ загального призначення призводить до складнощів при посиленні саме низькочастотних сигналів малої амплітуди, оскільки в цьому діапазоні частот і вхідних напруг відношення «сигнал / шум» на виході ОУ катастрофічно падає навіть при повній відсутності шумів на вході.
Але основною проблемою при посиленні низькочастотних сигналів є дрейф напруги зсуву (Offset Voltage Drift). Якби цей параметр залежав тільки від екземпляра мікросхеми, то його можна було б компенсувати на етапі виробництва в процесі калібрування приладу. Однак напруга зсуву постійно змінюється і залежить від безлічі факторів, основні з яких - температура і час роботи. Поступова деградація і коливання температури кристала призводять до змін параметрів напівпровідникових елементів, з яких складається ОУ. В результаті цього відбувається розбалансування схеми і поява на виході підсилювача додаткового напруження, знак і величина якого є випадковими величинами. Ця напруга додається до вихідному сигналу вже скомпенсованого підсилювача і призводить до появи помилки, яку важко виявити при виробництві приладу.
Зазначені проблеми обмежують мінімальний рівень низькочастотного сигналу, з яким можуть працювати операційні підсилювачі загального призначення, і вимагають пошуку технологій, що дозволяють позбутися від зазначених вище недоліків.
Принцип роботи чопперная операційних підсилювачів
Однією з технологій компенсації спотворень низькочастотних сигналів, є стабілізація перериванням. Принцип роботи ОУ, що використовує дану технологію (чопперного ОУ), показаний на малюнку 1.
Мал. 1. Принцип роботи чопперного ОУ
Напруга вхідного сигналу Uвх подається на перший комутатор (переривник, чопер), коефіцієнт передачі якого визначається рівнем сигналу і може приймати значення або 1, в цьому випадку вихідна напруга дорівнює вхідному, або -1, при якому вхідний сигнал інвертується (малюнок 2). Комутатор управляється тактовим генератором з частотою fком, яка набагато перевищує максимальну частоту вхідного сигналу (зазвичай fком> 100 кГц). Таким чином на виході першого комутатора формується змінна напруга прямокутної форми з частотою fком.
Мал. 2. Принцип роботи комутатора
Оскільки перший підсилювач, який здійснює основне посилення сигналу, неідеальний і має власне напруження зсуву Uсм, то його вихідний сигнал U1 є сумою змінної складової посиленого вхідного сигналу і постійної напруги зміщення, однакового для будь-якого стану комутатора 1.
До виходу першого підсилювача підключений комутатор 2, що працює синхронно з комутатором 1, основне призначення якого - усунення високочастотної складової сигналу, внесеної першим комутатором. Вихідний сигнал другого підсилювача U2 також є сумою постійної і змінної складових. Тільки в цьому випадку постійна складова пропорційна посиленому вхідного сигналу, а змінна - посиленому напрузі зсуву. Оскільки частота непотрібної змінної компоненти багато вище частоти корисного сигналу, то її можна вивести з допомогою фільтра нижніх частот, що підключається до виходу підсилювача 2.
Така технологія дозволяє поліпшити посилення низькочастотних сигналів і компенсувати дрейф напруги зсуву і мерехтіння шум, що добре видно, якщо розглянути роботу підсилювача в частотної області (рисунок 3).
Мал. 3. Принцип роботи ОУ в частотної області
При проходженні вхідного сигналу Uвх через перший комутатор відбувається його модуляція - перенесення частот на непарні гармоніки частоти комутації fком, а після проходження другого - зворотний перенос в низькочастотну область. Оскільки шум і напруга зсуву додаються в уже модульований сигнал, то після проходження другого комутатора замість демодуляції, яка відбувається з корисним сигналом, вони, навпаки, піддаються модуляції. В результаті в спектрі вихідного сигналу другого комутатора Uком2 двічі модульовані компоненти корисного сигналу виявляються на парних гармоніках частоти fком, а одноразово модульовані паразитні компоненти шуму і зміщення - на непарних. Це дозволяє виділити корисний сигнал за допомогою фільтра нижніх частот і видалити всі непотрібні складові, розташовані на вищих гармоніках.
Теоретично така технологія дозволяє повністю очистити корисний сигнал від мерехтіння шуму і усунути дрейф напруги зсуву, незалежно від їх природи, проте на практиці через неідеальність компонентів і технології виготовлення мікросхем це не вдається. Проте, характеристики чопперная ОУ дозволяють в 1000 разів підвищити чутливість і точність підсилювачів в порівнянні з підсилювачами, побудованими на ОУ загального призначення (таблиця 1).
Таблиця 1. Порівняння різних типів операційних підсилювачів
Тип ОУ Загального призначення Прецизійний чопперная Напруга зсуву 5 мВ 400 мкв 5 мкВ Дрейф напруги зсуву 30 мкв / ° С 1 мкВ / ° С 30 НВ / ° С Рівень мерехтіння шуму Високий Середній Низький
Необхідно також відзначити, що характеристики чопперная ОУ стабільні протягом всього часу роботи. У будь-якому ОУ, навіть при його експлуатації в легких умовах, через вплив природної радіації в кристалі мікросхеми відбуваються деструктивні процеси, що призводять до незворотних змін характеристик її елементів. В результаті через кілька років зміщення вихідної напруги ОП загального призначення може значно відрізнятися від величини, яка була в момент виготовлення мікросхеми (малюнок 4), на відміну від чопперная ОУ, в яких ці зміни компенсуються технологією посилення.
Мал. 4. Вплив часу на дрейф напруги зсуву
Особливості використання чопперная ОУ
Але, яким би якісним не був операційний підсилювач, будь-який розробник, який не має знань специфіки його використання, може звести нанівець всі старання виробників. Однією з таких особливостей чопперная ОУ є наявність струмових імпульсів у вхідному ланцюзі.
З огляду на специфіку посилення слабких сигналів, чопперная підсилювачі зазвичай виготовляються по КМОП-технології, що забезпечує мінімально можливий вхідний струм. Це особливо актуально, якщо джерело сигналу має великий внутрішній опір. Але, оскільки на вході чопперного ОУ встановлений комутатор, МОП-транзистори якого переключаються з частотою f кому, то через особливості його роботи на вході чопперного ОУ присутні струмові імпульси (рисунок 5), які, незважаючи на невелику амплітуду, можуть піднести неприємний сюрприз розробнику.
Мал. 5. Імпульси струму чопперного ОУ у вхідному ланцюзі
Першою причиною появи струмових імпульсів є розсмоктування носіїв заряду в каналах МОП-транзисторів комутатора при закритті. Коли польовий транзистор знаходиться в провідному стані, носії заряду можуть безперешкодно переміщатися між витоком і стоком. Але при закритті транзистора, під дією електричного поля, створюваного затвором, ці носії виштовхуються з каналу в ланцюзі витоку і стоку (рисунок 6), що призводить до появи імпульсів струму на вході ОУ. Як для будь-яких перемикаються КМОП-схем, амплітуда імпульсів залежить від розміру техпроцесу, за яким виготовлена мікросхема ОУ, і напруги живлення. Тому одним із способів зменшення амплітуди струмових імпульсів є зменшення напруги живлення (рисунок 7).
Мал. 6. Процеси при закритті МОП-транзистора комутатора
Мал. 7. Вхідний струм чопперного ОУ при різній напрузі живлення
Другою причиною появи імпульсів вхідного струму є наявність незбалансованих паразитних ємностей Сп МОП-транзисторів комутатора (рисунок 8) через які змінну напругу тактового сигналу проникає у вхідні ланцюг ОУ (clock feed through). Величина змінної складової тактового сигналу залежить від величини напруги живлення підсилювача і рівня синфазного напруги на його входах. При збільшенні напруги живлення вхідний струм збільшується, в той час як збільшення синфазного напруги, навпаки, призводить до його зменшення (рисунок 9).
Мал. 8. Паразитні ємності комутатора
Мал. 9. Залежності вхідного струму чопперного ОУ від напруги живлення і синфазного вхідного напруги
Проникнення тактової частоти і інжекція заряду у вхідні ланцюг призводять до того, що вхідний струм чопперного ОУ виявляється більше, ніж вхідний струм аналогічного КМОП ОУ загального призначення, і має імпульсний характер. Незважаючи на те, що частота комутації fком багато вище максимальної смуги пропускання і практично не проникає на вихід ОУ, вона може створити проблеми у вхідному ланцюзі. Особливу обережність слід дотримуватися при використанні чопперного ОУ з високоомними датчиками, оскільки в цьому випадку ОУ, будучи генератором струму, потенційно може пошкодити джерело сигналу.
Природним способом зменшення амплітуди струмових імпульсів є збільшення опору вхідного ланцюга підсилювача. На малюнку 10 показаний результат емуляції впливу вхідного опору Rin_Load на амплітуду струмових імпульсів.
Мал. 10. Вплив опору вхідного ланцюга на амплітуду струмових імпульсів
Як показують результати моделювання (таблиця 2) збільшення опору вхідного ланцюга підсилювача дозволить значно зменшити амплітуду струмових імпульсів. При цьому слід розуміти, що струмовий імпульс комутатора фактично розподіляється між вхідними і паразитними ланцюгами схеми, протікаючи по шляху найменшого опору. У будь-якому випадку збільшення вхідного опору дозволить зменшити вплив струмових імпульсів на джерело сигналу і тим самим підвищити точність роботи схеми.
Таблиця 2. Вплив опору вхідного ланцюга на амплітуду струмових імпульсів
Rin_Load
0 Ом 1 кОм 10 кОм 100 кОм 1 МОм Амплітуда токового імпульсу 4,5 мкА 1,15 мкА 125 нА 13 нА 1,5 нА
Однак далеко не завжди внутрішній опір джерела сигналу може бути великим. При роботі з низькоомними датчиками ефективним способом зменшення впливу струмових імпульсів є використання Помехоподавляющие конденсатора, що підключається між входами ОУ (рисунок 11).
Мал. 11. чопперная ОУ з Помехоподавляющие конденсатором на вході
Для високочастотних імпульсів струму фільтруючий конденсатор Cg має опір менше, ніж внутрішній опір Rg, тому струмові імпульси протікають через конденсатор Cg, не впливаючи на джерело сигналу. На малюнку 12 показано, що за допомогою конденсатора ємністю всього 10 пФ можна ефективно придушити імпульси струму на вході чопперного ОУ.
Мал. 12. Вплив конденсатора Сg на амплітуду струмових імпульсів
Додавання конденсатора Сg дозволяє також зменшити рівень синфазної перешкоди на вході ОУ. Очевидно, що чим більше ємність конденсатора, тим краще фільтрація. Однак необдумане збільшення ємності конденсатора може привести до нестабільної роботи підсилювача, тому при використанні такого методу придушення імпульсів слід обов'язково проводити перевірку стійкості схеми.
Ще однією проблемою, яка може виникнути при використанні чопперная ОУ, є термоелектричне напруга. На будь-якому поєднанні різнорідних металів, наприклад, в місці пайки виведення мікросхеми, під дією температури виникає невелика різниця потенціалів. Якщо корпус мікросхеми прогрітий нерівномірно (рисунок 13), то це напруга подмешивается до вхідного сигналу, і, з огляду на високий коефіцієнт посилення ОУ, може створити серйозну проблему при експлуатації пристрою.
Мал. 13. Вплив температури на напруження зсуву
Нові підсилювачі виробництва STMicroelectronics
На сьогоднішній день підсилювачі з нульовим дрейфом випускаються більшістю світових виробників електронних компонентів, в числі яких Analog Devices, Texas Instruments, Maxim Integrated і інші. Не є винятком і найбільший європейський виробник - компанія STMicroelectronics. Нещодавно вона розширила лінійку операційних підсилювачів з нульовим дрейфом двома мікросхемами: TSZ182 з широкою смугою пропускання, орієнтованої на використання в інструментальному обладнанні, і крихітної TSU111, яка через сверхмалого енергоспоживання ідеально підходить для пристроїв з батарейним харчуванням.
Здвоєний операційний підсилювач TSZ182 (рисунок 14) володіє винятковою стабільністю характеристик у широкому температурному діапазоні -40 ... 125 ° C, що дозволяє експлуатувати мікросхему в важких умовах і встановлювати її в промислове обладнання, призначене для роботи на відкритому повітрі.
Мал. 14. Операційний підсилювач TSZ182
Максимальне значення напруги зсуву ОУ TSZ182 становить всього 25 мкв і не вимагає зовнішніх елементів для підстроювання, що сприятливо позначається на розмірах кінцевого додатки, а також спрощує масове виробництво за рахунок виключення процедури регулювання. Висока точність ОУ забезпечується малою величиною дрейфу напруги зсуву, що не перевищує 100 НВ / ° C у всьому температурному діапазоні. Це спрощує експлуатацію вимірювальних приладів за рахунок збільшення тривалості міжповірочного інтервалу.
Завдяки високій точності і малим габаритним розмірам, що становить всього 2х2 мм, ОУ TSZ182 може використовуватися як в стандартних додатках, наприклад, датчиках і вимірювальних приладах промислової автоматики, так і в специфічному обладнанні, наприклад, в медичних приладах для контролю стану організму або в глюкометра. Автомобільна версія мікросхеми TSZ182IYST орієнтована на високоточну перетворення сигналів широкого спектру вузлів сучасного автомобіля - від модулів управління склоочисниками і клімат-контролю до систем автономного водіння.
Додатковими перевагами TSZ182 є широка смуга пропускання, що становить 3 МГц, і діапазон вхідних і вихідних напруг, що становить 100% напруги харчування (rail-to-rail), яке може перебувати в діапазоні 2,2 ... 5,5 В. Крім цього, мікросхема є досить економічною, споживаючи всього 1 мА при напрузі живлення 5 В, що збільшує час роботи додатків на батарейках.
Одним із прикладів застосування TSZ182 є контроль струму електродвигунів, необхідний для забезпечення їх надійної та безпечної роботи (рисунок 15). Як відомо, найпростішим способом вимірювання струму є використання резистивних датчиків. Крім простоти, цей спосіб відрізняється високою точністю і надійністю, однак він має один серйозний недолік - велике виділення потужності на струмовимірювальні резистори.
Мал. 15. ОУ TSZ182 в схемі управління безколекторним двигуном
Для зменшення втрат опір датчика струму необхідно зменшувати, однак це, відповідно до закону Ома, призводить до зменшення рівня сигналу. При використанні ОУ загального призначення, що мають напругу зміщення 2 мВ, для забезпечення точності вимірювань на рівні 1% потрібно струмовимірювальні резистори опором 40 мОм. При струмі однієї обмотки 5 А потужність, що розсіюється на цьому резисторі, складе 1 Вт. Якщо замість ОУ загального призначення використовувати прецизійний TSZ182 з напругою зсуву 25 мкв, то опір датчика струму можна зменшити до 0,5 мОм, що дозволити довести втрати до рівня 12,5 мВт на кожну обмотку електродвигуна (таблиця 3).
Таблиця 3. Порівняння різних типів ОУ для вимірювання струму електродвигуна
Найменування Тип ОУ Напруга зсуву, мВ Опір резистора датчика струму, мом Потужність втрат, Вт LM290x Загального призначення 2 40 1 TSV7xx , TSX7xx Прецизійний 0,2 4 0,1 TSZ18x Чопперная 0,025 0,5 0,0125
Ще одним прикладом ефективного застосування швидкодіючих чопперная ОУ є використання їх в високошвидкісних інструментальних вимірі (рисунок 16). При використанні ОУ для посилення сигналів анізотропних магніторезистивних датчиків (AMR magnetic sensors) або тензодатчиков (strain gauges) зазвичай використовується міст Уитстона з подальшою оцифруванням результатів вимірювання за допомогою АЦП. У цьому випадку величина зсуву безпосередньо впливає на точність і роздільну здатність вимірювача.
Мал. 16. ОУ TSZ182 в високошвидкісному інструментальному підсилювачі
Наприклад, при використанні в інструментальному підсилювачі 12-розрядних АЦП, що входять до складу мікроконтролерів STM32 з напругою живлення 3,3 В, молодшому значущій біту оцифрованого сигналу відповідає напруга 805 мкв. Якщо для посилення сигналу використовувати ОУ загального призначення з напругою зсуву 2,5 мВ і коефіцієнтом посилення 100, то дрейф напруги на вході АЦП з урахуванням використання в схемі трьох ОУ (рисунок 16) складе 505 мВ. Це призведе до того, що з 12 розрядів оцифрованого сигналу корисна інформація про вимірювану величину буде міститися тільки в трьох старших розрядах, тоді як інші 9 міститимуть інформацію про величину напруги зсуву ОУ. Використання для посилення сигналу ОУ TSZ182 з напругою зсуву 25 мкв дозволить збільшити роздільну здатність вимірювача до 10 розрядів (таблиця 4), тим самим значно підвищивши точність вимірювань.
Таблиця 4. Порівняння різних типів ОУ в інструментальних підсилювачах
Найменування Напруга зсуву, мкВ Максимальне зміщення на вході АЦП при коефіцієнті посилення 100, мВ Кількість ефективних розрядів АЦП, біт TSZ182 25 5,05 ~ 10 TS507 100 20,2 ~ 8 TS512A 500 101 ~ 6 TS512 2500 505 ~ 3
На відміну від швидкодіючих TSZ182, операційні підсилювачі TSU111 (рисунок 17) мають досить скромну смугу пропускання, що становить всього 11,5 кГц. Однак цієї смуги цілком достатньо для використання в вимірювальних датчиках, газових детекторах, датчиках рН, інфрачервоних датчиках руху, медичному обладнанні, Радіомітки, приладах екологічного контролю, біологічних датчиках і іншої переносної електроніці.
Мал. 17. Операційний підсилювач TSU111
Відмінною особливістю TSU111 є крихітні розміри 1,2х1,3 мм і надмалих струм споживання, що не перевищує 900 нА. Як стверджує виробник, якщо таким струмом розряджати батарею CR2032 ємністю 220 мА · год, то на її розряд піде 25 років. Тому основна сфера використання TSU111 - малогабаритні пристрої на батарейках, де внесок ОУ в енергоспоживання пристрою буде дуже незначним.
Крім компактних розмірів і малого енергоспоживання, мікросхема TSU111 має напруга зсуву 150 мкв, розмах пульсації шуму 3,6 мкВ (пік-пік) в смузі частот 0,1 ... 10 Гц, що дозволяє використовувати її в високоточних схемах перетворення сигналів. Надмалих вхідний струм, що не перевищує 10 пА, дозволяє відчутно підвищити чутливість газових детекторів. Завдяки використанню CMOS-технології вихідна напруга ОУ може досягати величини напруги живлення (rail-to-rail-вихід).
Збереження працездатності мікросхеми в широкому діапазоні напруг живлення 1,5 ... 5 В дозволяє підключати ОУ до цифрових мікросхем безпосередньо без використання додаткових буферних елементів. Крім того, завдяки мінімальній напрузі пристрій може довше зберігати працездатність в кінці розряду батареї, що дозволяє використовувати мікросхему в обладнанні, що живиться від систем збору енергії, наприклад, від фотогальванічних елементів.
Одним з варіантів застосування TSU111 є контроль споживаного струму для оцінки рівня заряду батареї. (Рисунок 18). Аналогічно використанню ОУ в інструментальних підсилювачах, меншу напругу зміщення призведе до підвищення точності вимірювань. Однак крім гарної здатності TSU111 має ще і наднизький струм споживання, що вигідно відрізняє її від аналогічних ОУ навіть з меншою напругою зміщення (таблиця 5). І нехай різниця у відносному енергоспоживанні TSU111 невелика, все одно це дозволить продовжити термін експлуатації датчиків диму або вуглекислого газу на кілька тижнів або навіть місяців.
Мал. 18. ОУ TSU111 в схемі контролю рівня заряду батареї
Таблиця 5. Порівняння різних ОУ для контролю заряду батареї
Найменування Напруга зсуву, мкВ Струм, мкА Відносне енергоспоживання,% TSU111 150 1 0,01 TSV711 200 14 0,14 TS507 100 1000 10
Висновок
Як відомо, більшість оптимальних рішень є компромісними. Для чопперная ОУ підвищення точності посилення низькочастотних сигналів вимагає більш ретельного опрацювання схеми приладу, обмеження діапазону робочих частот, а часом і збільшення енергоспоживання. Проте, чопперная підсилювачі впевнено займають свою нішу в радіотехніці, дозволяючи створювати прилади, техніко-економічні показники яких набагато вище, ніж при використанні ОУ іншого типу.
Про компанію ST Microelectronics
Компанія STMicroelectronics є №1 виробника електроніки в Европе. Компоненти ST широко представлені в оточуючіх нас СПОЖИВЧИХ товари - від iPhone до автомобілів різніх марок. Лідери індустріального Сайти Вся вібірають компоненти ST за їх Надійність и видатні технічні параметрами. У компании ST працює 48 000 співробітніків в 35 странах. Виробничі потужності розташовані в 12 странах світу. Понад 11 тисяч співробітніків зайняті дослідженнямі і розробки - інноваційне лідерство ... читати далі
<
