Електронні компоненти і системи 
У статті наведено інформацію про характеристики прецизійних операційних підсилювачів ADA4097, призначених для використання у складі різних датчиків. Низький рівень шуму, мале напруження зміщення, широкий діапазон напруг живлення дозволяють використовувати підсилювачі в діапазоні робочих температур до 150 градусів Цельсія. Підсилювачі мають вбудований захист входів від перенапруги та систему захисту від перегріву кристала, що дозволяє забезпечити високу надійність пристроїв, у яких вони використовуються.
В. Макаренко
Основні характеристики ADA4097-1 та ADA4097-2
Нові прецизійні операційні підсилювачі ADA4097-1/ADA4097-2 компанії Analog Devices з rail-to-rail входом і виходом мають напруження зміщення, що не перевищує 60 мкВ, та вхідні струми <0,3 нА . Діапазон допустимих значень напруги живлення від 3 до 50 В, струм споживання одним каналом не перевищує 32,5 мкА.
Вхідні каскади, виготовлені за запатентованою технологією Over-The-Top™, забезпечують надійний захист входу при значних змінах вхідної напруги. Входи можуть витримувати диференціальну напругу до 80 В без пошкодження або погіршення точності за постійним струмом. Робочий діапазон вхідного синфазного сигналу становить 70 В відносно напруги на виводі -VS.
Підсилювачі ADA4097-1/ADA4097-2 стійко працюють при одиничному коефіцієнті підсилення та забезпечують струм у навантаженні до 20 мА в кожному з каналів, стійкі при роботі на ємнісне навантаження до 200 пФ.
Перелік основних параметрів підсилювачів
- надширокий діапазон вхідного синфазного сигналу від -(VS – 0,1 В) до (-VS + 70 В)
- широкий діапазон напруги живлення від +3 В до +50 В (від ±1,5 до ±25 В для двополярного живлення)
- струм споживання від джерела живлення, 32,5 мкА типове значення
- вхідне напруження зміщення, не більше ±60 мкВ
- низький дрейф вхідного напруження зміщення, не більше ±1 мкВ/°С (клас B)
- типове значення частоти перегибу спектра низькочастотного шуму 1/f становить 6 Гц
- рівень низькочастотного шуму 1 мкВ від піку до піку в діапазоні частот від 0,1 до 10 Гц
- частота одиничного підсилення 130 кГц
- швидкість наростання вихідної напруги 0,1 В/мкс (типове значення при амплітуді вихідної напруги 4 В)
- струм споживання в сплячому режимі не більше 20 мкА
- вхідний струм зміщення не більше ±300 пА
- коефіцієнт підсилення за напругою не менше 120 дБ
- коефіцієнт придушення синфазного сигналу не менше 120 дБ
- коефіцієнт придушення зміни напруги джерела живлення не менше 123 дБ
- стійкість до перевантаження на вході без реверсу фази
- стійкість до електростатичних розрядів ±2 кВ (HBM) та розрядів, індукованих полем (FICDM) ±1,25 кВ
- діапазон робочих температур від -55 до 150 °C (клас H)
- корпус TSOT-6 для ADA4097-1 та LFCSP-10 для ADA4097-2
Застосування в датчиках та типові схеми включення
Підсилювачі призначені для використання з промисловими датчиками та датчиками температури. На рис. 1 наведена типова схема включення ADA4097 для підсилення сигналів датчика струму з діапазоном вимірювання In = 10 мА…1 А.
Графіки залежностей похибки вимірювання від величини струму для схеми на рис. 1 наведені на рис. 2.
Споживання струму в активному та сплячому режимах
Оскільки основне призначення ОП – використання в різних датчиках, у тому числі й у бездротових сенсорних мережах, дуже суттєвим параметром є власний струм споживання підсилювача як у робочому, так і в сплячому режимі. На рис. 3 наведені графіки залежності струму споживання підсилювача від напруги живлення при різних температурах.
Відключення операційного підсилювача (переведення в сплячий режим) здійснюється поданням напруги на 1,5 В вище напруги на виводі -VS (від’ємного джерела напруги) на вивід SHDN. Якщо вивід SHDN не підключений або підключений до виводу -VS, то підсилювач перебуває в активному режимі.
У сплячому режимі вихід підсилювача переходить у стан високого імпедансу. Якщо контакт SHDN залишається плаваючим, рекомендується підключити конденсатор невеликої ємності (приблизно 1 нФ) між виводом SHDN та виводом -VS для запобігання ємнісного зв’язку між інвертуючим входом -IN та входом керування SHDN.
На рис. 4 наведені графіки залежності струму споживання підсилювача в сплячому режимі від напруги живлення при різних температурах.
На рис. 5 наведені залежності напруження зміщення від температури для 10 різних екземплярів ОП при різних напругах живлення.
Залежності вхідного струму від температури для 10 різних екземплярів ОП при різних напругах живлення наведені на рис. 6.
При перевантаженні за напругою на вході вхідний струм збільшується до 1…1,1 мкА, як показано на рис. 7.
Напруження зміщення в набагато меншій мірі залежить від перевантаження за входом. На рис. 8 наведені графіки залежності напруження зміщення від вхідної напруги при різних значеннях температури.
Інші залежності різних параметрів від температури, напруги живлення, амплітуди вхідної напруги можна знайти в .
Моделювання в LTspice
Розглянемо параметри підсилювача, використовуючи програму моделювання LTspice. На рис. 9 наведена модель підсилювача з одиничним коефіцієнтом підсилення на базі ОП ADA4097-2.
Реакція підсилювача на вхідний імпульс амплітудою 10 В при напрузі джерел живлення ±15 В наведена на рис. 10. Швидкість наростання вихідної напруги становить 0,1 В/мкс, що точно відповідає даним, наведеним у .
У неінвертуючому включенні при одиничному коефіцієнті підсилення смуга пропускання підсилювача становить приблизно 197 кГц (рис. 11).
Дослідження АЧХ інвертуючого включення
Для дослідження АЧХ інвертуючого підсилювача можна скористатися моделлю, наведеною на рис. 12. На рис. 13 та 14 наведені АЧХ для коефіцієнтів підсилення 1 та 10 відповідно. Як випливає з рис. 13, АЧХ при коефіцієнті підсилення -1 лінійна в діапазоні від 0 до 92 кГц, у той час як при неінвертуючому включенні та коефіцієнті підсилення рівному 1 смуга пропускання на 100 кГц ширша.
При коефіцієнті підсилення 10 ширина смуги мало відрізняється для інвертуючого та неінвертуючого включення. Для інвертуючого вона становить 16,2 кГц (рис. 14), а для неінвертуючого – 17 кГц. Отримані результати добре узгоджуються з наведеними в .
Вплив опору навантаження на спектр
Вплив опору навантаження на спектр вихідного сигналу ілюструє рис. 15. Вимірювання проведені для неінвертуючого підсилювача з коефіцієнтом підсилення 1 та напрузі живлення +8 В для двох фіксованих значень опору навантаження – 200 Ом та 10 кОм. Спектр вихідного сигналу, а отже, і рівень вносимої нелінійних спотворень, практично від напруги живлення не залежить, якщо амплітуда вхідного сигналу не перевищує 0,8 значення напруги живлення.
Для перевірки роботи підсилювача спільно з датчиком струму (рис. 1) використана модель, наведена на рис. 16.
Експеримент показав, що при напрузі генератора V1 рівній 2 В, використанні в якості R3 постійного резистора з опором 100 Ом та струмі через R1 рівному 1 А, напруга на виході становила 1,05 В. При використанні потенціометра можна підстроїти значення опору R3 для отримання значення 1 В, що відповідає вказаному в значенню для такого пристрою. Однак при струмі 10 мА напруга на виході буде замість 10 мВ дорівнювати 10,6 мВ. У той же час, при зміні напруги генератора V1 до 50 В, напруга на виході строго лінійно відповідає зміні струму через резистор R1. Чим менша напруга на виході V1, тим більша похибка при вимірюванні малих струмів. Ці результати також добре узгоджуються з графіками, наведеними на рис. 2.
Цей експеримент показує, що доцільно провести моделювання для необхідних умов експлуатації, для мінімізації похибок вимірювань.
Тепловий захист та обмеження потужності розсіювання
При великих струмах навантаження температура кристала може перевищити 175 °C, а вже при температурі кристала 125 °C відбувається прискорене старіння ІМС та погіршення її параметрів. Щоб уникнути перегріву в ІМС ADA4097 передбачений тепловий захист.
При зростанні температури кристала понад 175 °C вихідні каскади підсилювачів відключаються та знижуються струми споживання. Вихід переводиться в третій стан і залишається в ньому доти, доки температура переходу не знизиться на 20 °C. При значних струмах навантаження та високій температурі навколишнього середовища такі відключення можуть повторюватися періодично. На рис. 17 наведені осцилограми вхідного та вихідного сигналів підсилювача в режимі теплового відключення вихідного навантаження.
У наведені розрахункові співвідношення для визначення потужності, що розсіюється на кристалі. Для заданого напруги живлення можна скористатися графіками на рис. 18 як орієнтиром для оцінки мінімального опору навантаження, яке забезпечує безпечний режим роботи ADA4097-1/ADA4097-2 для заданих напруги живлення та підвищення температури кристала (∆TJ). Наприклад, щоб обмежити ∆TJ значенням 50 °C, опір навантаження при напрузі джерела живлення ±15 В не повинен бути меншим 800 Ом.
У наведено ряд прикладів включення підсилювачів і характеристики пропонованих схем для використання в різних додатках.
Для роботи з підсилювачами ADA4097-2 компанія Analog Devices пропонує відладочну плату EVAL-ADA4097-2EBZ . Фото плати наведене на рис. 19.
Мініатюрні роз’єми версії A (SMA) на входах та виходах EVAL-ADA4097-2EBZ забезпечують зручне підключення до випробувального обладнання або інших ланцюгів. Велика кількість тестових точок також дозволяє підключати вимірювальні прилади до різних точок схеми.
У EVAL-ADA4097-2EBZ використовується комбінація технології поверхневого монтажу (SMT) з більшістю компонентів у корпусі розміром 0603, за винятком шунтувальних конденсаторів ємністю 10 мкФ. EVAL-ADA4097-2EBZ також містить окремі резистори та майданчики для підключення додаткових конденсаторів, що дозволяє користувачам змінювати конфігурацію схеми на свій розсуд.
У можна знайти принципову схему відладочної плати, розміщення елементів та докладний опис роботи з нею.
Більш детальну інформацію про характеристики прецизійних ОП ADA4097 можна знайти в .
