HRP-N3 - серия источников питания с максимальной пиковой мощностью в 350% от MEAN WELL
РадиоЛоцман - Все об электронике

Когда использовать усилитель с rail-to-rail входами и на что обращать внимание

Texas Instruments THS4281 OPA836 OPA2836

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2016

Xiyao Zhang, Texas Instruments

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.

Продукция HONGFA – надежность и качество для разных задач

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.

Когда использовать усилитель с rail-to-rail входами и на что обращать внимание
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.

Когда использовать усилитель с rail-to-rail входами и на что обращать внимание
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.

Когда использовать усилитель с rail-to-rail входами и на что обращать внимание
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

Перевод: Дмитрий Иоффе по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: When to use an amplifier with rail-to-rail inputs - and what to watch out for

32 предложений от 23 поставщиков
Операционный усилитель, 1 Усилитель, 95 МГц, 35 В/мкс, ± 1.35В до ± 8.25В, SOIC, 8 вывод(-ов)
THS4281DBVR
Texas Instruments
86 ₽
Akcel
Весь мир
THS4281DR
Texas Instruments
от 94 ₽
THS4281D
Texas Instruments
от 577 ₽
ТаймЧипс
Россия
THS4281DBVRG4
Texas Instruments
по запросу
Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя