МІКРОПОТУЖНИЙ ОПЕРАЦІЙНИЙ ПІДСИЛЮВАЧ З МАКСИМАЛЬНОЮ РОБОЧОЮ ТЕМПЕРАТУРОЮ 150 °C

Мікропотужний операційний підсилювач для автомобільної промисловості

Мікропотужний операційний підсилювач STMicroelectronics, сертифікований для використання в автомобільній промисловості, призначений для роботи в широкому діапазоні робочих температур у важких умовах експлуатації. Підсилювач, що вирізняється малим споживанням струму та максимальною робочою температурою 150 °C, поєднує в собі властивості, які рідко зустрічаються в одному пристрої.

Температурна стійкість і сфери застосування TSU111H

TSU111H відповідає температурному класу 0 AEC-Q100 (від –40 до 150 °C), витримує вплив екстремально високих температур, наприклад, у гальмівних системах, вихлопних системах двигунів внутрішнього згоряння та генераторах на паливних елементах. Висока максимальна температура дозволяє використовувати датчики всередині блоків керування, розташованих поруч із датчиками, встановленими в найгарячіших зонах, для забезпечення високої точності вимірювань.

У менш екстремальних умовах TSU111H із його розширеним температурним діапазоном дозволяє працювати втричі довше, ніж еквівалентний пристрій Grade-1, сертифікований для роботи при 125 °C. Будучи пристроєм класу 0, новий операційний підсилювач може безперервно працювати при температурі 65 °C протягом понад 25 років, тобто служити протягом усього строку експлуатації автомобіля, тоді як пристрої класу 1 розраховані на вісім років безвідмовної роботи. Це ідеально підходить для таких застосувань, як система керування батареями (BMS) гібридних та електричних транспортних засобів, яка ніколи не вимикається і повинна споживати якомога менше енергії.

Операційний підсилювач TSU111H забезпечує наднизьке енергоспоживання 1,7 мкА типове та 2,4 мкА максимальне при живленні від джерела 1,8 В.

Рис. 1. Графіки залежності струму споживання ОП від напруги живлення

Електричні параметри та основні характеристики

Наднизьке енергоспоживання, мале напруження зміщення (250 мкВ макс.) і смуга пропускання 23 кГц роблять TSU111H ідеальним для використання в перетворювачах сигналів датчиків, системах керування акумуляторами, бортових і бездротових зарядних пристроях.

Основні характеристики TSU111H:

• відповідає стандарту AEC-Q100
• тривалий строк безвідмовної роботи
• споживаний струм Iсс = 1,7 мкА (типове значення) при 25 °С
• напруження зміщення не більше 250 мкВ при температурі 25 °C, 600 мкВ при температурі вище 150 °C
• діапазон робочих температур від –40 до 150 °C
• низький рівень шуму в діапазоні від 0,1 до 10 Гц – 3,9 мкВ (пік-пік)
• спектральна густина шуму, приведеного до входу, 200 нВ/√Гц
• напруга живлення: від 1,5 В до 5,5 В
• rail-to-rail вхід і вихід
• смуга пропускання 23 кГц (типове значення) при коефіцієнті підсилення 24 дБ, опорі навантаження 100 кОм і ємності навантаження 60 пФ
• низький вхідний струм зміщення, не більше 1 пА при 25 °С
• швидкість наростання вихідної напруги 5,5 В/мс
• висока стійкість до електростатичного розряду – 4 кВ (HBM – human body model)
• коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу (КОСС) 102 дБ (типове значення) при температурі 25 °С
• коефіцієнт підсилення в режимі великого сигналу 126 дБ
• висока точність без калібрування
• стійкість до короткочасних перепадів напруги в мережі живлення
• корпус SOT23-5.

Частотні характеристики та вплив напруги живлення

На рис. 1 наведені графіки залежності струму споживання ОП від напруги живлення, а на рис. 2 — залежності вихідного струму від значення вихідної напруги. Амплітудно-частотні (АЧХ) і фазо-частотні (ФЧХ) характеристики при різних значеннях температури наведені на рис. 3. При інших значеннях напруги живлення АЧХ практично не відрізняються від наведених на рис. 3.

Рекомендації щодо застосування та вибору компонентів

Щоб скористатися всіма перевагами TSU111IY, імпеданси всіх кіл, як внутрішніх, так і зовнішніх, слід вибирати якомога більшими, щоб не втратити переваг підсилювача з мікроспоживанням. Наприклад, алюмінієві електролітичні конденсатори можуть мати значний струм витоку, який може перевищувати струм споживання ОП. З цієї причини доцільно використовувати керамічні конденсатори.

З тієї ж причини в колі зворотного зв’язку слід використовувати резистори великих номіналів. Однак є два основних обмеження, які необхідно враховувати при виборі опору резисторів:

1. Шум, що генерується резистором 100 кОм, відповідає величині 40 нВ/√Гц. Відповідно, резистори з більшими значеннями опору будуть генерувати шум, що перевищує зазначене значення.

2. Витік на друкованій платі може бути спричинений підвищеною вологістю. Для усунення цього явища необхідно наносити на плату захисне покриття.

Для коректної роботи підсилювача рекомендується додати розв’язувальний конденсатор 10 нФ якомога ближче до джерела живлення (рис. 4).

Зменшення витоків із чутливих високоімпедансних вузлів на входи TSU111H може бути виконане застосуванням захисних контурів із низьким імпедансом на друкованій платі (рис. 4). Цей метод полягає в тому, що доріжки виводів ОП з високим імпедансом оточуються доріжками, з’єднаними з виводами ОП із низьким імпедансом. Захисний контур біля інвертуючого входу має той самий електричний потенціал, що й вузол неінвертуючого входу з високим імпедансом (на рис. 4 це неінвертуючий вхід підсилювача). Відповідно, навіть якщо між доріжками існує певний паразитний імпеданс, через нього не протікатиме струм витоку, оскільки вони мають однаковий потенціал із захисним контуром

Вхідні каскади, захист та стійкість до завад

TSU111H містить дві взаємодоповнювальні вхідні диференціальні пари на PMOS- і NMOS-транзисторах. Таким чином, пристрій забезпечує роботу з вхідним сигналом rail-to-rail, а діапазон вхідного синфазного сигналу розширений зі значення (Vcc–) – 0,1 В до (Vcc+) + 0,1 В.

Оскільки на входах TSU111H встановлені польові транзистори з ізольованим затвором, вхідні струми зміщення не перевищують 10 пА у всьому робочому діапазоні температур. Цей параметр ОП дозволяє використовувати його з датчиками з високим внутрішнім опором і як трансімпедансний підсилювач, що перетворює вхідний струм у напругу на виході.

Коли TSU111H переходить у режим насичення, для відновлення робочого режиму потрібно не більше 500 мкс.

Входи та вихід TSU111H захищені від електростатичних розрядів (ESD) діодними обмежувачами (рис. 5). Струм через діоди повинен бути обмежений максимальним значенням 10 мА. Для обмеження струму послідовно з входами необхідно вмикати резистори.

Для підвищення ступеня захисту від електромагнітних завад (ЕМЗ), з урахуванням високого вхідного опору підсилювача, виробник рекомендує вмикати конденсатори ємністю 22 пФ між входами ОП та між кожним із входів і загальним проводом. Ці конденсатори знижують імпеданс входу на високих частотах і, відповідно, зменшують вплив ЕМЗ на режим роботи підсилювача.

Більш детальну інформацію про характеристики TSU111H можна знайти на сайті виробника .

ЛІТЕРАТУРА

1. High temperature (150 °C) and long mission profile automotive grade, high accuracy (250 μV) 5 V CMOS operational amplifier // https://www.st.com/resource/en/datasheet/tsu111h.pdf