Прецизионные усилители Maxim

А. Андрусевич
Новости Электроники 9, 2008

Масштабирование аналоговых сигналов – задача, которая, в том или ином виде, встречается почти во всех электронных устройствах. В статье рассматриваются прецизионные малошумящие усилители компании Maxim Integrated Products, предназначенные для применения в измерительных и индустриальных системах, а также в медицинском оборудовании.

Для решения задач усиления сигналов применяются либо операционные, либо инструментальные усилители. Для приложений, где необходима высокая точность и стабильность, от микросхем требуются низкий уровень ЭДС-шумов при высокой линейности, а также низкое напряжение смещения (обычно приводится ко входу) и низкий температурный дрейф этого напряжения. Ток смещения со своим температурным дрейфом тоже может внести свою долю в ошибку измерения, но его влияние в последнее время ослаблено значительным снижением входного тока. Тем не менее, при работе с высокоомными источниками его приходится учитывать, как и уровень токовых шумов. Еще одним параметром, существенно влияющим на точность измерения, особенно в условиях сильных помех, является уровень подавления синфазных сигналов. Среди выходных параметров усилителей, влияющих на точность, следует выделить скорость нарастания и время установления выходного напряжения.

Операционные усилители

Ультрамалошумящий операционный усилитель MAX410/2/4 имеет гарантированную плотность шума на частоте 1 кГц не более 2,4 нВ/√Гц (типовое значение 1,5 нВ/√Гц). Для оптимизации этого параметра пришлось, в частности, отказаться от токоограничивающих резисторов, которые обычно включают последовательно с диодами на входе для защиты от повышенного дифференциального напряжения. Помимо низкого уровня шумов, ОУ MAX410/2/4 обладает очень высокой точностью и стабильностью (табл. 1), что позволяет использовать его для буферизации 24-разрядного АЦП MAX11040 (рис. 1). MAX410 имеет вариант поставки в миниатюрном корпусе TDFN.

Таблица 1. Параметры прецизионных ОУ Maxim

Наименование	Напр. питания (ток потр., тип., мкА), В	Входной ток, макс., нА	Напр. смещения, прив. ко входу, макс., мкВ (темп. дрейф, макс., мкВ/°C)	Плотность ЭДС шума, прив. ко входу, нВ/√Гц (f=1 кГц)	Частота единичного усиления, МГц	Особенности, корпус
MAX4236/7	2,4...5,5 (350)	0,5	20 (2)	14	1,7/7,5	Ультрапрецизионный (SOT-23, mMAX, SO)
MAX4238/9	2,7...5,5 (600)	0,001, тип.	2 (0,01, тип.)	30	1/6,5	Ультрапрецизионный, автокомпенсация смещения и шума 1/f (TDFN, SOT-23, SO)
MAX4249-57	2,4...5,5 (420)	0,1	750 (0,3, тип.)	8,9	3/22	Малошумящий, ультралинейный (UCSP, SOT-23, mMAX, SO)
MAX4475-78/88/89	2,7...5,5 (2,5)	0,15	350 (6)	4,5	10/42	Малошумящий, ультралинейный (TDFN, SOT-23, mMAX, SO)
MAX410/2/4	±2,7...±5,25 (2500)	150	250 (1, тип.)	1,5	28	Ультрамалошумящий (TDFN, SO, DIP)
MAX4074/5	2,5...5,5 (37)	1	200, тип. (0,3, тип.)	-	4, G>=25	С фиксированным коэф. усиления (54 значения), защита входов ±17 В (SOT-23, mMAX, SO)
MAX4174/5 MAX4274/5	2,5...5,5 (355)	10	500, тип. (5, тип.)	-	23, G>=25	С фиксированным коэф. усиления (54 значения), защита входов ±17 В (SOT-23, mMAX, SO)

 

Рис. 1. Схема буферизации дифференциального входа 24-битного АЦП с помощью ОУ MAX412

Ультралинейный малошумящий широкополосный усилитель MAX4475-78/88/89 имеет суммарный уровень искажений и шумов 0,0007% на частоте 20 кГц и нагрузке 10 кОм. Плотность шума на частоте 1 кГц составляет 4,5 нВ/√Гц, напряжение смещения и температурный дрейф, приведенные ко входу составляют соответственно ±70 мкВ и ±0,3 мкВ/°C (тип.).

Радикально решить проблему смещения и температурного дрейфа позволяет метод автокоррекции - постоянного периодического измерения напряжения смещения и его компенсацииии. Это также позволяет эффективно бороться с шумами 1/f в низкочастотном диапазоне. Ранние реализации этого метода страдали от многих характерных недостатков, включая довольно высокий уровень шумов на частоте работы системы и длительное восстановление после насыщения. Оригинальная запатентованная система автокоррекции, примененная в ОУ MAX4238/9, работает с псевдослучайной перестройкой частоты (spread-spectrum) в диапазоне от 10 до 15 кГц. Плотность шума на частоте 1 кГц составляет 30 нВ/√Гц, а размах напряжения шума в диапазоне частот от 0,01 до 10 Гц, приведенный ко входу, не превышает 1,5 мкВ. Типовое время восстановления до 16-битной точности (0,0015%) после насыщения составляет 5,7 мс. Усилитель имеет очень низкий входной ток 1 пА (тип.) и рекордно низкое напряжение смещения и температурный дрейф - соответственно ±0,1 мкВ и ±10 нВ/°C (тип.).

Для установки требуемого коэффициента усиления удобно использовать микросхему в миниатюрном корпусе SOT-23 из двух согласованных резисторов MAX5490/1/2. Кроме этого существуют ОУ со встроенными резисторами - MAX4074/5, MAX4174/5 и MAX4274/5 (рис. 2).

Рис. 2. Схема ОУ с фиксированным коэффициентом усиления

Отличительной особенностью этих микросхем является наличие защиты входов от перегрузки по напряжению до ±17 В. Каждый из усилителей имеет на выбор 54 значения отношения резисторов Rf/Rg в пределах от 0,25 до 100 с точностью 0,1%. ОУ MAX4274/5 имеет также резистивный делитель для установки смещения, равного половине напряжения питания.

Инструментальные усилители

Классическая схема построения инструментального усилителя изображена на рисунке 3a.

а)

 

б)

Рис. 3. Схема инструментального усилителя с традиционной архитектурой из трех ОУ (а) и архитектурой «indirect current-feedback» (б)

Такую архитектуру имеют микросхемы MAX4194-97 (табл. 2).

Таблица 2. Параметры инструментальных усилителей Maxim

Наимено- вание	Напр. питания, В (ток потр., тип., мкА)	Входной ток, макс., нА	Напр. смещения, прив. ко входу, макс., мкВ (темп. дрейф, макс., мкВ/°C), G=10	Плотность ЭДС шума, прив. ко входу, нВ/√Гц (f = 1 кГц, G=10)	Диапазон входного напряжения, В, при Vcc=5 В	Особенности, (корпус)
MAX4194-97	2,7...7,5 (93)	20	225 (2)	31	-0,2...+3,9	Прецизионный, классическая архитектура (SO)
MAX4198/9	2,7...7,5 (45)	-	300 (3)	39	-0,1...+5,1	Прецизионный дифференциальный усилитель (mMAX, SO)
MAX4460/1/2	2,85...5,25 (800)	0,1	250 (1,5, тип.)	38	-0,1...+3,3	Архитектура indirect current-feedback (TDFN, SOT-23, SO)
MAX4208/9	2,85...5,5 (750)	0,001, тип.	20 (0,2)	140	-0,1...+3,7	Ультрапрецизионный, архитектура indirect current-feedback, автокомпенсация смещения и шума 1/f (mMAX)

 

Несмотря на широкую распространенность, схема из трех ОУ имеет существенный недостаток, накладывающий значительные ограничения при однополярном питании. Это выражается в ограничении допустимого диапазона входных синфазных напряжений (Vcm) из-за насыщения первого каскада (усилители A и B), поскольку он имеет коэффициент передачи равный еденице для Vcm. На рисунке 4a приведена рабочая область для Vref равного половине напряжения питания (VСС).

а)

б)

Рис. 4. Рабочая область входного синфазного напряжения при Vref = Vcc/2 для: (а) традиционного инструментального усилителя, (б) усилителя с архитектурой «indirect current-feedback»

Внутри шестиугольника находится область допустимых синфазных напряжений. При однополярном питании наиболее оптимальное использование инструментального усилителя достигается при размахе выходного напряжения от «земли» до напряжения питания. В этом случае область допустимых синфазных напряжений находится в заштрихованном прямоугольнике, то есть теряется область в районе «нуля». Подробнее эта проблема описана в статье по применению AN4034 (www.maxim-ic.com/an4034 ).

Учитывая то, что в настоящее время разработчики все чаще отказываются от двуполярного питания, особенно в батарейных устройствах, компанией Maxim была разработана и запатентована принципиально новая архитектура инструментального усилителя indirect current-feedback (рис. 3б).

Она позволяет значительно расширить допустимый диапазон входного синфазного напряжения и задействовать область в районе нуля, в том числе и при максимальном размахе выходного напряжения (рис. 4б). Усилители A и B представляют собой источники тока, управляемые напряжением. Их особенностью являтся нулевой коэффициент передачи для входного синфазного напряжения. Таким образом, оно подавляется в первом каскаде усиления (усилитель A), а не во втором, как в случае классической архитектуры (усилитель C на рис. 3a). Основное усиление входного дифференциального напряжения обеспечивает усилитель С (рис. 3б). Коэффициент передачи схемы в целом зависит от соотношения резисторов R1 и R2. Они могут располагаться как вне микросхемы (можно использовать MAX5490/1/2), так и внутри нее. В последнем случае коэффициент усиления будет фиксированным.

Архитектуру indirect current-feedback имеют микросхемы MAX4460/1/2 и MAX4208/9. Причем инструментальные усилители MAX4208/9 оснащены еще и оригинальной системой автокоррекции, аналогичной той, что применяется в ОУ MAX4238/9, а также буферным усилителем напряжения Vref. Размах напряжения шума в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц микросхем MAX4208/9, приведенный ко входу, не превышает 2,5 мкВ, а напряжение смещения и температурный дрейф составляют соответственно ±3 мкВ и ±10 нВ/°C (тип.).