Микроэлектроника от Maxim для сигнальных каскадов

Наталья Кривандина (КОМПЭЛ)

В статье приведен обзор интегральных схем, выпускаемых одним из лидеров рынка аналоговых ИС – компанией Maxim Integrated Product и предназначенных для применения в сигнальных каскадах: ОУ и ИУ, активных фильтров, преобразователей данных, цифровых потенциометров и прецизионных ИОН.

Сигнальные каскады необходимы любой электронной системе для взаимодействия с реальным миром. Они в обязательном порядке присутствуют в измерительной технике, системах сбора данных, системах мониторинга и сигнализации, устройствах автоматики, модулях аналогового ввода/вывода, контроллерах автоматизации и в интерфейсах датчиков. От рабочих характеристик сигнальных каскадов напрямую зависят точность, быстродействие и надежность конечного решения. Однако непрерывный рост требований к миниатюрности, экономичности и функциональности оставляет все меньше возможностей на детальную разработку схемотехнического решения и выделение достаточного пространства на печатной плате под сигнальные каскады. Разумным вариантом решения данной проблемы является использование высокоинтегрированных ИС, которые сочетают в себе приемлемую стоимость и высокие рабочие характеристики, простоту интеграции в систему, а также гибкость, миниатюрность и экономичность. Примером таких ИС может служить продукция известного новатора в области аналоговой микроэлектроники – компании Maxim Integrated Products. Рис.1 иллюстрирует спектр выпускаемых Maxim микросхем для сигнальных каскадов и их место в укрупненной структуре цифровой системы.

Рис. 1. Компоненты Maxim для сигнальных каскадов

Операционные усилители

Компания Maxim обладает широчайшим ассортиментом ОУ и инструментальных усилителей (ИУ), который насчитывает порядка 170 ИС, обладающих превосходным соотношением «быстродействие/потребление». Возможности усилителей по удовлетворению разнообразных прикладных требований демонстрирует таблица 1, где представлена классификация ОУ и области их применения.

Таблица 1. Классификация ОУ Maxim и области их применения

Классификация ОУ Maxim	Область применения
ОУ общего назначения	Недорогие, непрецизионные каскады обработки аналоговых сигналов и компараторы напряжения
Малошумящие ОУ (с уровнем шума менее 15 нВ/√Гц): – С малым входным токомсмещения (менее 150 пА); – С малым напряжением смещения (менее 200 мкВ).	Прецизионные измерительные каскады и аналоговые интерфейсы
Высокобыстродействующие ОУ (>100 МГц)	Аналоговые интерфейсы высокоскоростного телекоммуникационного оборудования, диагностическое оборудование, контрольно-измерительные приборы, испытательные системы, высокоскоростной сбор данных
Маломощные ОУ (с потребляемым током менее 20 мкА) с входом включения/отключения	Электроника с батарейным питанием и прочая техника, к которой предъявляются жесткие требования к энергоэффективности
ОУ, относящиеся к типу rail-to-rail (означает, что напряжение на входе и/или выходе может изменяться в пределах уровней питания)	Низковольтные аналогово-цифровые системы с однополярным питанием, в т.ч. батарейным
Одиночные, сдвоенные, строенные или счетверенные ОУ	Оптимизация занимаемой на печатной плате площади и себестоимости конечного решения

В качестве дополнительных инструментов для оптимизации себестоимости и размеров конечного решения помимо применения многоканальных ОУ пользователю доступны усилители в ультраминиатюрных SMT-корпусах (например, UCSP в типоразмерах 1×1; 1×1.5; 1.5×1.5; 1.5×2 мм, а также mDFN и SC70 с размерами 2×2 мм) и ИУ, которые интегрируют не только прецизионные ОУ, но также и высокоточные согласованные резисторы. В ряде продукции учтена специфика некоторых типичных применений, в т.ч. повышенное напряжение питания (например, до 40 В у одиночного/сдвоенного ОУ MAX9943/44) и усилители, оптимизированные под задачу измерения тока или мощности.

Помимо ИУ и токоизмерительных усилителей, в ассортименте Maxim представлены аналоговые компараторы, среди которых пользователь может выбрать наиболее подходящий по быстродействию, числу каналов, передаточной функции, схемотехнике логического выхода и степени.

Активные фильтры

Активные фильтры находят применение во входных каскадах АЦП для корректировки спектра сигнала (например, для подавления помех или выделения требуемой частотной составляющей), а также в выходных каскадах ЦАП для исключения лестничного эффекта. Эффективное решение этих задач достигается применением фильтров высоких порядков, однако их реализация на ОУ влечет за собой неизбежное увеличение габаритов, электропотребления, себестоимости и сроков проектирования. Именно для устранения данных трудностей компанией Maxim была разработана отдельная группа продукции - активные фильтры для частот до 300 кГц, подавляющая часть которых выполнена по архитектуре переключающихся конденсаторов. Всего выпускается порядка 50 ИС с различными предустановленными передаточными функциями, порядком фильтра (от двух до восьми), преимущественно в восьмивыводных корпусах и с различными методами программирования (через выводы ИС, внешним резистором или программно под управлением внешним МК).

Преобразователи данных (АЦП, ЦАП)

Компания Maxim обладает самым обширным ассортиментом преобразователей данных, который насчитывает более 400 АЦП и порядка 250 ЦАП.

Подавляющую часть ассортимента АЦП составляют прецизионные приборы на частоту дискретизации менее 5 МГц, большинство которых полностью соответствуют условиям применения в промышленной электронике. Для построения прецизионных АЦП компания Maxim использует архитектуру последовательных (8, 10, 12, 14, 16 бит) и сигма-дельта приближений (до 24 бит). Кроме выбора по разрешающей способности и быстродействию преобразования, пользователю доступен выбор АЦП по ряду других важных признаков, в т.ч.:

• Симметричный/дифференциальный, одно-/двуполярный вход;
• Программная конфигурация входа;
• Количество каналов: 1, 2, 4, 8, 12 или 16;
• Интерфейсы считывания данных: последовательные (I²C, SPI) или параллельные;
• Со встроенным или внешним ИОН и др.

Кроме того, в ассортименте Maxim имеются высококачественные АЦП одновременного преобразования, применение которых актуально в устройствах защиты и мониторинга электротехнического оборудования, устройствах измерения активной мощности и др.

В группе ЦАП подавляющую часть также занимают прецизионные приборы с разрешающей способностью 6...16 бит и со временем установления выходного сигнала менее 1 мкс. Количество выходных каналов варьируется от одного до 32, а для ввода данных используются параллельные или последовательные (SPI, I²C) интерфейсы.

У новых ЦАП Maxim предусмотрен ряд инструментов для оптимизации себестоимости конечного решения, в т.ч. высокая степень интеграции, размещение в ультракомпактных корпусах и доступность совместимых по расположению выводов, посадочному месту и программированию аналогов с иной разрешающей способностью и/или с разным числом каналов. Последняя возможность позволяет на базе одной и той же печатной платы создавать различные модификации продукции.

Цифровые потенциометры

Ассортимент цифровых потенциометров Maxim насчитывает более 120 прецизионных микросхем, оптимизированных под решение задач программирования параметров аналоговых схем, в т.ч. выходное напряжение ИОН или стабилизаторов напряжения, коэффициент передачи усилительных каскадов, настройки фильтров и пр. Они являются более надежной и совершенной альтернативной обычным механическим потенциометрам и различаются по ряду признаков:

• количество ступеней регулировки (32...1024);
• тип передаточной характеристики (линейная или логарифмическая);
• одно- или многоканальные (2, 3, 4, 6 каналов);
• с энергонезависимым хранением настроек и без;
• с однократным или многократным программированием энергонезависимой памяти.

Современные типы цифровых потенциометров отличаются рядом особенностей, которые направлены на упрощение и повышение гибкости применения, улучшение эксплуатационных характеристик, миниатюризацию и удешевление конечного изделия. Для управления потенциометрами Maxim используются три типа интерфейсов: SPI, I²C и интерфейс по типу реверсивного счетчика (счетный вход и вход задания направления счета).

Кроме цифровых потенциометров компания Maxim выпускает программируемые резистивные делители напряжения, которые отличаются очень малым допуском на сопротивление (0.025...0.1% против 20% лучшего для цифровых потенциометров значения).

Прецизионные ИОН

Источники опорного напряжения (ИОН) играют очень важную роль в любой измерительной системе. Именно от их характеристик напрямую зависят точность измерения и формирования сигналов, а также измерительный диапазон и диапазон изменения сигналов. Компания Maxim является известным новатором в области разработки высококачественных ИОН. Ее ассортимент в настоящее время насчитывает больше 160 микросхем, разделенных на четыре группы:

• Параллельные (или шунтовые, двухвыводные) на выходные напряжения 1.25; 2.048; 2.5; 3.04; 3.3; 4.096 и 5 В;
• Последовательные (трехвыводные) на выходные напряжения 1.25; 1.6; 1.8; 2.048; 2.5; 3; 3.3; 4.096; 4.5; 5 и 10 В;
• Регулируемые (MAX6037, MAX6160);
• Программируемые (DS4303, DS4305).

Пользователь может рассчитывать на выбор ИОН с характеристиками, приближающимся к следующим: начальный разброс ±0.02%, размах напряжения шума 1.3 мкВ, температурный коэффициент 1ppm/°C, потребляемый ток 5 мкА и занимаемая площадь 1.5 мм².

Заключение

Компания Maxim выпускает обширный ассортимент компонентов для сигнальных каскадов, в т.ч. микросхемы ОУ и ИУ, активных фильтров, АЦП и ЦАП, цифровых потенциометров и ИОН. Весомую их часть составляют прецизионные приборы, отвечающие промышленным условиям применения. В новой продукции Maxim помимо улучшения рабочих характеристик учтены постоянно ужесточающиеся требования по минимизации занимаемого пространства и электропотребления. Неизменной чертой продукции Maxim является поддержка набора особенностей, способствующих простоте и гибкости применения микросхем.