Надежные прецизионные операционные усилители с током потребления 32.5 мкА на канал

В статье приведена информация о характеристи­ках прецизионных операционных усилителей ADA4097, предназначенных для использования в со­ставе различных датчиков. Низкий уровень шума, малое напряжение смещения, широкий диапазон напряжений питания позволяют использовать уси­лители в диапазоне рабочих температур до 150 гра­дусов Цельсия. Усилители имеют встроенную защи­ту входов от перенапряжения и систему защиты от перегрева кристалла, что позволяет обеспечить вы­сокую надежность устройств, в которых они исполь­зуются.

В. Макаренко

Новые прецизионные операционные усилители ADA4097-1/ADA4097-2 компании Analog Devices с rail-to-rail входом и выходом имеют напряжение смещения не превышающее 60 мкВ и входные токи <0,3 нА [1, 2]. Диапазон допустимых значений на­пряжения питания от 3 до 50 В, ток потребления од­ним каналом не превышает 32.5 мкА.

Входные каскады, изготовленные по запатенто­ванной технологии Over-The-Top™, обеспечивают надежную защиту входа при значительных измене­ниях входного напряжения. Входы могут выдержи­вать дифференциальное напряжение до 80 В без повреждения или ухудшения точности по посто­янному току. Рабочий диапазон входного синфазно­го сигнала составляет 70 В по отношению к напря­жению на выводе -VS.

Усилители ADA4097-1/ADA4097-2 устойчиво ра­ботают при единичном коэффициенте усиления и обеспечивают ток в нагрузке до 20 мА в каждом из каналов, устойчивы при работе на емкостную на­грузку до 200 пФ.

Основные параметры усилителей:

• сверхширокий диапазон входного синфазного сигнал от -(VS – 0,1 В) до (-VS + 70 В)
• широкий диапазон напряжения питания от +3 В до +50 В (от ±1.5 до ±25 В для двухполярного пита­ния)

ток потребления от источника питания, 32.5 мкА типовое значение

• входное напряжение смещения, не более ±60 мкВ
• низкий дрейф входного напряжения смеще­ния, не более ±1 мкВ/°С (класс B)
• типовое значение частоты перегиба спектра низкочастотного шума 1/f составляет 6 Гц
• уровень низкочастотного шума 1 мкВ от пика до пика в диапазоне частот от 0.1 до 10 Гц
• частота единичного усиления 130 кГц
• скорость нарастания выходного напряжения 0.1 В/мкс (типовое значение при амплитуде выход­ного напряжения 4 В
• ток потребления в спящем режиме не более 20 мкА
• входной ток смещения не более ±300 пА
• коэффициент усиления по напряжению не ме­нее 120 дБ
• коэффициент подавления синфазного сигнала не менее 120 дБ
• коэффициент подавления изменения напряже­ния источника питания н менее 123 дБ
• устойчивость к перегрузке на входе без ревер­са фазы
• устойчивостью к электростатическим разря­дам ±2 кВ (HBM) и разрядам индуцированных полем (FICDM) ±1,25 кВ

диапазон рабочих температур от -55 до 150 °C (класс H)

• корпус TSOT-6 для ADA4097-1 и LFCSP-10 для ADA4097-2.

Усилители предназначены для использования с промышленными датчиками и датчиками темпера­туры. На рис. 1 приведена типовая схема включения ADA4097 для усиления сигналов датчика тока с диа­пазоном измерения і _н =10 мА…1 А.

Рис. 1. Типовая схема включения ADA4097 для усиления сигналов датчика тока

Графики зависимостей погрешности измерения от величины тока для схемы на рис. 1 приведена на рис. 2.

Рис. 2. Графики зависимостей погрешности измерения от величины тока нагрузки для схемы, приведенной на рис. 1

Так как основное назначение ОУ использование в различных датчиках, в том числе и в беспроводных сенсорных сетях, то очень существенным парамет­ром является собственный ток потребления усили­теля как в рабочем, так и в спящем режиме. На рис. 3 приведены графики зависимости тока потребления усилителя от напряжения питания при различных температурах.

Рис. 3. Графики зависимости тока потребления усилителя от напряжения питания при различных температурах

Отключение операционного усилителя (перевод в спящий режим) осуществляется подачей напря­жения на 1.5 В выше напряжения на выводе -VS (от­рицательного источника напряжения) на вывод SHDN. Если вывод SHDN не подключен или подклю­чен к выводу -VS, то усилитель находится в актив­ном режиме.

В спящем режиме выход усилителя переходит в состояние высокого импеданса. Если контакт SHDN остается плавающим, рекомендуется подключить конденсатор небольшой емкости (примерно 1 нФ) между выводом SHDN и выводом -VS для пред­отвращения емкостной связи между инвертирую­щим входом -IN и входом управления SHDN.

На рис. 4 приведены графики зависимости тока потребления усилителя в спящем режиме от напря­жения питания при различных температурах.

На рис. 5 приведены зависимости напряжения смещения от температуры для 10 различных экзем­пляров ОУ при различных напряжениях питания.

Зависимости входного тока от температуры для 10 различных экземпляров ОУ при различных на­пряжениях питания приведены на рис. 6.

При перегрузке по напряжению на входе вход­ной ток увеличивается до 1…1.1 мкА, как показано на рис. 7.

Напряжение смещения в гораздо меньшей сте­пени зависит от перегрузки по входу. На рис. 8 при­ведены графики зависимости напряжения смеще­ния от входного напряжения при различных значе­ниях температуры.

Рис. 4. Графики зависимости тока потребления усилителя в спящем режиме от напряжения питания при различных температурах

Рис. 5. Зависимости напряжения смещения от температуры для 10 различных экземпляров ОУ при напряжении питания ±2.5 В (а) и ±25 В (б)

Рис. 6. Зависимости входного тока от температуры для 10 различных экземпляров ОУ при напряжении питания ±2.5 В (а) и ±15 В (б)

Рис. 7. Графики зависимостей входного тока от значения входного синфазного напряжения при различных значениях температуры

Рис. 8. Графики зависимости напряжения смещения от входного синфазного напряжения при различных значениях температуры

Другие зависимости различных параметров от температуры, напряжения питания, амплитуды входного напряжения можно найти в [2].

Рассмотрим параметры усилителя, используя программу моделирования LTspice. На рис. 9 приве­дена модель усилителя с единичным коэффициен­том усиления на базе ОУ ADA4097-2.

Рис. 9. Модель усилителя с единичным коэффициентом усиления на базе ОУ ADA4097-2

Реакция усилителя на входной импульс амплиту­дой 10 В при напряжении источников питания ±15 В приведена на рис. 10. Скорость нарастания выход­ного напряжения составляет 0.1 В/мкс, что точно соответствует данным, приведенным в [2].

В неинвертирующем включении при единичном коэффициенте усиления полоса пропускания уси­лителя составляет примерно 197 кГц (рис. 11).

Рис. 10. Реакция усилителя с единичным коэффициентом усиления на импульс амплитудой 10 В

Рис. 11. АЧХ (сплошная линия) и ФЧХ усилителя с коэффициентом усиления 1

Для исследования АЧХ инвертирующего усилителя можно воспользоваться моделью, приведен­ной на рис. 12. На рис. 13 и 14 приведены АЧХ для коэффициентов усиления 1 и 10, соответственно. Как следует из рис. 13, АЧХ при коэффициенте уси­ления -1 линейна в диапазоне от 0 до 92 кГц, в то время как при неинвертирующем включении и коэффициенте усиления равном 1 полоса пропуска­ния на 100 кГц шире.

Рис. 12. Модель для исследования АЧХ инвертирующего усилителя

Рис. 13. АЧХ (сплошная линия) и ФЧХ усилителя с коэффициентом усиления 1

Рис. 14. АЧХ (сплошная линия) и ФЧХ усилителя с коэффициентом усиления 1

При коэффициенте усиления 10 ширина полосы мало отличаются для инвертирующего и неинверти­рующего включения. Для инвертирующего она со­ставляет 16.2 кГц (рис.14), а для неинвертирующего – 17 кГц. Полученные результаты хорошо согла­суются с приведенными в [2].

Влияние сопротивления нагрузки на спектр выходного сигнала иллюстрирует рис. 15. Измерения проведены для неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 1 и напряжении питания +8 В для двух фиксированных значений сопротивле­ния нагрузки – 200 Ом и 10 кОм. Спектр выходного сигнала, а, следовательно, и уровень вносимых не­линейных искажений, практически от напряжения питания не зависит если амплитуда входного сигна­ла не превышает 0.8 значения напряжения питания.

Рис. 15. Спектр выходного сигнала инвертирующего усилителя при напряжении питания ±8 В, эффективном значении входного напряжения 1 В и сопротивлении нагрузки 10 кОм (а) и 200 Ом (б)

Для проверки работы усилителя совместно с датчиком тока (рис. 1) использована модель, приве­денная на рис. 16.

Рис. 16. Модель для исследования датчика тока

Эксперимент показал, что при напряжении гене­ратора V1 равным 2 В, использовании в качестве R3 постоянного резистора с сопротивление 100 Ом и токе через R1 равным 1 А, напряжение на выходе составило 1.05 В. При использовании потенциомет­ра можно подстроить значение сопротивления R3 для получения значения 1 В, что соответствует указанному в [2] значению для такого устройства. Од­нако при токе 10 мА напряжение на выходе будет вместо 10 мВ равно 10.6 мВ. В то же время, при из­менении напряжения генератора V1 до 50 В, напря­жение на выходе строго линейно соответствует из­менению тока через резистор R1. Чем меньше на­пряжение на выходе V1, тем больше погрешность при измерении малых токов. Эти результаты также хорошо согласуются с графиками, приведенными на рис. 2.

Этот эксперимент показывает, что целесообраз­но провести моделирование для требуемых усло­вий эксплуатации, для минимизации погрешностей измерений.

При больших токах нагрузки температура кри­сталла может превысить 175 °C, а уже при темпера­туре кристалла 125 °C происходит ускоренное ста­рение ИМС и ухудшение ее параметров. Чтобы из­бежать перегрева в ИМС ADA4097 предусмотрена тепловая защита.

При возрастании температуры кристалла свыше 175 °C выходные каскады усилителей отключаются и снижаются токи потребления. Выход переводится в третье состояние и остается в нем до тех пор, пока температура перехода не снизится на 20 °C. При значительных токах нагрузки и высокой температу­ре окружающей среды такие отключения могут по­вторяться периодически. На рис. 17 приведены ос­циллограммы входного и выходного сигналов уси­лителя в режиме теплового отключения выходной нагрузки.

Рис. 17. Осциллограммы входного и выходного сигналов в режиме теплового отключения выходной нагрузки (при перенреве кристалла выше 175 °С)

В [2] приведены расчетные соотношения для определения рассеиваемой на кристалле мощно­сти. Для заданного напряжения питания можно вос­пользоваться графиками на рис. 18 в качестве ори­ентира для оценки минимального сопротивления нагрузки, которое обеспечивает безопасный режим работы ADA4097-1/ADA4097-2 для заданных напряжения питания и повышения температуры кристалла (ДTJ). Например, чтобы ограничить ДTJ значением 50 °C, сопротивление нагрузки при на­пряжении источника питания ±15 В не должно быть меньше 800 Ом.

В [2] приведен ряд примеров включения усили­телей и характеристики предлагаемых схем для ис­пользования в различных приложениях.

Рис. 18. Графики зависимостей минимального сопротивление нагрузки для заданных значений напряжения питания и повышения температуры кристалла ∆TJ

Для работы с усилителями ADA4097-2 компания Analog Devices предлагает отладочную плату EVAL-ADA4097-2EBZ [3]. Фото платы приведено на рис. 19.

Рис. 19. Фото отладочной платы EVAL-ADA4097-2EBZ

Миниатюрные разъемы версии A (SMA) на вхо­дах и выходах EVAL-ADA4097-2EBZ обеспечивают удобное подключение к испытательному оборудо­ванию или другим цепям. Большое число тестовых точек также позволяет подключать измерительные приборы к различным точкам схемы.

В EVAL-ADA4097-2EBZ используется комбина­ция технологии поверхностного монтажа (SMT) с большинством компонентов в корпусе размером 0603, за исключением шунтирующих конденсаторов емкостью 10 мкФ. EVAL-ADA4097-2EBZ также со­держит отдельные резисторы и площадки для под­ключения дополнительных конденсаторов, что поз­воляет пользователям менять конфигурацию схемы по своему усмотрению.

В [3] можно найти принципиальную схему отла­дочной платы, расположение элементов и подроб­ное описание работы с ней.

Более подробную информацию о характеристи­ках прецизионных ОУ ADA4097 можно найти в [2].

ЛИТЕРАТУРА

1.https://www.analog.com/en/products/ADA4097-2.html?tab=documentation-pane-1#product-overview

2.https://www.analog.com/media/en/technical-docu-mentation/data-sheets/ada4097-1-4097-2.pdf

3.https://www.analog.com/media/en/technical-docu-mentation/user-guides/eval-ada4097-2-ug-2036.pdf