Максимальный ток потребления операционных усилителей: технические спецификации обманывают? Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2011

Часть 1

Практический тест

Сравнение биполярных и КМОП ОУ фирмы Analog Devices и трех ее главных конкурентов иллюстрирует количественные характеристики эффекта, описанного в предыдущей части (Таблица 1). В таблицу включены старинный сдвоенный ОУ LM358 без rail-to-rail выхода и сдвоенный компаратор LM393 компании National Semiconductor. При испытаниях измерялся потребляемый ток как функция напряжения питания с использованием трех схем.

Таблица 1. Сравнение биполярных и КМОП ОУ.

Обозначение	Тип	Напряжение питания (В)	Потребляемый ток (мА)
			Согласно справочным данным	В режиме повторителя	При низком напряжении на выходе	При высоком напряжении на выходе
LM358	Биполярный	30	2	0.707	0.506	0.671
LM393		36	2.5	0.548	0.565	0.567
OP184		30	2	1.239	1.188	6.683
A		24	0.45	0.361	3.442	0.708
B		30	3.4	2.785	2.051	3.998
C		30	4.5	4.063	5.336	3.786
AD8605	КМОП	5	1.2	0.998	0.544	0.625
A		5	0.9	0.511	0.361	10.152
B		5	2.4	1.916	2.759	2.475
C		5	1.4	1.039	0.822	0.667

На Рисунке 3 показан классический метод измерения тока потребления. Как видно из рисунка, амперметры соединены таким образом, чтобы исключить возможность прохождения тока источника питания через резистивный делитель. Два амперметра дают уверенность, что измерения потребляемого тока точны, а любые нежелательные пути его протекания через входные выводы исключены. Значения сопротивлений некритичны и лишь обеспечивают подачу на вход ОУ напряжения, соответствующего указанному в технической документации диапазону.

Рисунок 3.	При классическом методе измерения тока потребления амперметры соединены таким образом, чтобы исключить возможность прохождения тока источника питания через резистивный делитель.

Чтобы измерить потребляемый ток при отсутствии обратной связи, как, например, в случае включения ОУ компаратором, используется другой метод (Рисунок 4). Некоторые малошумящие биполярные ОУ имеют между входами диоды, предназначенные для защиты от дифференциальных напряжений, в связи с чем в справочных данных в таблице абсолютных максимальных значений указывается максимальное дифференциальное напряжение ±0.7 В. Сопротивления дополнительных последовательных входных резисторов обычно лежат в диапазоне 500 Ом – 2 кОм.

Рисунок 4.	Чтобы измерить потребляемый ток при отсутствии обратной связи, используется другой метод: (а) – при низком напряжении на выходе, (б) – при высоком напряжении на выходе.

В таблице абсолютных максимальных значений может утверждаться, что максимальное дифференциальное напряжение равно плюсу или минусу напряжения источника питания, но это вовсе не означает, что устройство при этом будет работать нормально. Вы должны ознакомиться с упрощенной внутренней схемой. Если не найдете схемы в документации, попросите производителя предоставить ее вам.

При измерениях по схеме на Рисунке 4 к выбору резисторов следует подходить более строго. Они должны быть достаточно малы, чтобы входное дифференциальное напряжение было не менее 0.5 В для гарантированной привязки выхода к уровню шины питания, но, в то же время, достаточно велики, чтобы не допустить повреждения внутренних диодов. Выбранные значения ограничивают входной ток на уровне менее 1 мА.

Биполярные rail-to-rail ОУ

Схема управления выходным каскадом биполярного ОУ с rail-to-rail выходным каскадом может иметь различные конфигурации. При некоторых способах управления, по мере приближения выходного напряжения к шинам питания, происходит увеличения тока потребления. В документации на OP284 компании Texas Instruments приведена упрощенная схема второго и выходного каскадов (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Когда в ОУ OP284 транзисторы Q5, Q3 и Q4 поднимают выходное напряжение, ток потребления становится функцией величин сопротивлений R4 и R6. Эти значения выбираются так, чтобы максимально улучшить характеристики ОУ и минимизировать площадь кристалла, но качество работы в режиме компаратора при этом во внимание не принимается.

Когда Q₅, Q₃ и Q₄ поднимают выходное напряжение, ток потребления становится функцией величин сопротивлений R₄ и R₆. Эти значения выбираются так, чтобы максимально улучшить характеристики ОУ и минимизировать площадь кристалла, но качество работы в режиме компаратора при этом во внимание не принимается. Если Q₆, R₁, и Q₁ опускают выходное напряжение, уровень тока потребления определяется сопротивлением R₁. И вновь, выбор значений R₁, I₁ и других компонентов будет влиять на характеристики ОУ, а не компаратора.

КМОП rail-to-rail ОУ

КМОП ОУ ведут себя интересно. В некоторых случаях, когда вы «привязываете» его выход к шине питания, потребляемый ток уменьшается. Выходной каскад КМОП ОУ (Рисунок 6) состоит из соединенных стоками p-МОП и n-МОП транзисторов. Коэффициент усиления равен произведению крутизны характеристики на сопротивление нагрузки. Поскольку управляющая схема устанавливает ток потребления в заданное значение, всегда можно получить подходящую величину крутизны.

Рисунок 6.	Упрощенная схема КМОП rail-to-rail ОУ.

Чем меньше становится разница между выходным напряжением и напряжением шины питания, тем сильнее падает выходное напряжение схемы управления оконечным каскадом. В зависимости от передаточной характеристики участка схемы от верхнего до нижнего транзистора, ток, в той или иной степени, также уменьшается. Отметим существенные различия в поведении четырех КМОП ОУ.

В целях сокращения площади кристалла, а, следовательно, и его стоимости, некоторые узлы сдвоенных ОУ, такие, например, как генераторы тока смещения и соответствующие схемы запуска, делаются общими для обоих усилителей. Если один ОУ работает в режиме, отличающемся от нормального, и нарушает работу цепи смещения, нормальная работа другого ОУ будет также нарушена [7]. Для систем с батарейным питанием, или при использовании слаботочных стабилизаторов напряжения, дополнительный ток потребления необходимо учитывать. Ресурс батареи может оказаться меньше, чем вы рассчитывали, или же стабилизатор будет запускаться не при всяких условиях, особенно, в диапазоне температур.

В новых разработках использования ОУ в качестве компараторов лучше всего избегать. Если вам, все же, необходимо включить ОУ в режиме компаратора, вы должны изучить справочную документацию изготовителя на предмет наличия какой-либо информации об использовании ОУ как компаратора. Некоторые производители приводят подобную информацию [8]. Если такая информация отсутствует, запросите ее у производителя. Если же он не может ее предоставить, измерьте необходимые параметры самостоятельно, используя приведенные выше схемы, и для надежности добавьте 50% запас.

Включенные компараторами ОУ с rail-to-rail выходом имеют весьма специфические характеристики. Если в вашей конструкции должен быть компаратор, самый разумный способ увеличить ресурс батареи и улучшить характеристики схемы – использовать недорогой компаратор, а не ОУ. Кроме того, все неиспользуемые ОУ следует включать повторителями, соединяя неинвертирующие входы с источником стабильного напряжения в пределах диапазона допустимых входных напряжений ОУ. Старайтесь, также, использовать одиночные или сдвоенные усилители вместо счетверенных.

Потребляемый ток может сильно превышать тот максимум, который заявлен в технической документации. При тщательно соблюденных условиях, обсуждавшихся в данной статье, вы можете использовать ОУ в качестве компараторов, но намного предпочтительнее будет разумная комбинация в вашей конструкции микросхем ОУ и компараторов, которая позволит уменьшить ток потребления и улучшить характеристики устройства.

Ссылки

6. Holt, Harry, “Op Amps: To Dual or Not to Dual,” EE Times, Nov 19, 2010.
7. “Micropower RRIO Operational Amplifier,” ADA4092-4, Analog Devices, 2010.