Аналоговые компоненты фирмы Microchip Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аналоговые компоненты фирмы Microchip

В течение последнего времени рынок электронных компонентов продолжает динамично развиваться, и фирма Microchip Technology Inc. не остается в стороне, увеличивая номенклатуру выпускаемых изделий и осваивая новые для себя области рынка электронной техники. Одной из таких областей является рынок аналоговой техники.

Для этого, с одной стороны, активно ведется разработка собственных аналоговых изделий, таких как операционные усилители, автономные АЦП, цифровые потенциометры, супервизоры питания, с другой — приобретена фирма, специализирующаяся на разработке и производстве аналоговой техники — TelCom Semiconductor. В портфеле этой фирмы есть операционные усилители, многоразрядные АЦП и ЦАП, ШИМ-контролле-ры и многое другое. На базе накопленного опыта Microchip собирается производить различные интегральные датчики, ОУ, ЦАП/АЦП, микросхемы для построения DC/DC-преобразователей и даже силовых FET-ключей.

Виктор Ульрих Олег Воротынский

[email protected]

ЛИНЕИНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Компараторы

Microchip выпускает широкий набор компараторов и многофункциональных элементов.

TC1025 — маломощный линейный элемент, который содержит два компаратора в одном 8-контактном корпусе.

TC1026 — комбинированный элемент, совмещающий в одном 8-контактном корпусе функции универсального операционного усилителя, компаратора и источника опорного напряжения (рис. 1).

TC1027 — комбинированный элемент, совмещающий в одном 16-контактном корпусе функции четырех компараторов и источника опорного напряжения.

TC1028 — комбинированный элемент, совмещающий в одном 8-контактном корпусе функции двух

компараторов и источника опорного напряжения. Инвертирующий вход одного компаратора и неинвертирующий вход второго связаны с внутренним источником опорного напряжения. Компараторы и источник опорного напряжения могут быть отключены установкой низкого уровня на входе «SHDN».

ТС1031 — микромощный компаратор с программируемым гистерезисом и источником опорного напряжения. Гистерезис регулируется (рис. 2) простым резистивным делителем на входе «HYST». Компаратор и источник опорного напряжения имеют общий вход отключения.

ТС1040 — два компаратора и источник опорного напряжения.

ТС1041 — два компаратора с одновременно программируемым гистерезисом и источником опорного напряжения. Инвертирующие входы обоих компараторов связаны с внутренним источником опорного напряжения.

Все вышеперечисленные компоненты выпускается в малогабаритном 8-контактном корпусе MSOP, который занимает в два раза меньше площади на плате, чем 8-контактный SOIC, поэтому они идеальны для приложений, требующих высокой интеграции и небольших размеров.

TC1037/1038/1039 — миниатюрные микро-мощные компараторы, изготавливаются в корпусах SOT — 23 A. TC1038 имеет вход отключения. TC1039 имеет внутренний источник опорного напряжения.

Такая интеграция функций позволяет пользователю заменить два или три корпуса, сэкономить пространство платы, снизить ток потребления и тем самым увеличить возможности системы.

Напряжение внутренних источников опорного напряжения равно 1,2 В с отклонением не более 2 %.

Все компараторы оптимизированы для работы от однополярного низковольтного источника питания с минимальным напряжением 1,8 В или от двухполярного ±1,5 В. Максимальный ток потребления компараторов — 18 мкА, при отключении ток потребления становится менее 0,1 мкА.

Компараторы и операционные усилители имеют небольшие и равные остаточные напряжения относительно плюса и минуса питания на входе и выходе. Входное остаточное напряжение составляет 200 мВ, а выходное — несколько милливольт в зависимости от тока нагрузки. Это позволяет при низком напряжений питания работать с относительно большими входными и выходными сигналами. Задержка распространения компараторов мало зависит от уровня питающего напряжения и тока нагрузки.

Компараторы могут быть использованы для широкого и разнообразного круга приложений. Низкий входной ток и напряжение смещения позволяют применять их для приложений, требующих высокой точности. Как правило, это системы управления питанием, схемы контроля и т. д.

У компараторов, не имеющих входа управления гистерезисом, он может быть легко задан методом положительной обратной связи при помощи двух резисторов (рис. 3). Ниже приведен порядок расчета внешних компонентов для задания гистерезиса:

1. Выбрать резистор обратной связи RC. Так как входной ток компаратора не превышает 100 пА, ток через резистор может быть задан — 100 нА (то есть в 1000 раз больше),

что обеспечит достаточную точность. Ток через Яс в момент отключения компаратора равен Уя/ Яс, где Уя — опорное напряжение.

2. Задать напряжение гистерезиса VHY (напряжение между верхним и нижним порогами).

3. Вычислить Яа:

ЯА=Ясх(УнУ/УОО).

4. Выбрать напряжение верхнего порога (УТНЯ) для входного напряжения (У8яс).

5. Вычислить Яв:

ЯБ=1/[(УТНЯ/(УЯхЯа)) - 1/Яа- 1/Яс].

6. Проверить напряжения порогов: верхний порог УТНЯ:

УТНЯ=(Уя)х(Яа)х[(1/Яа)+(1/Яв)+(1/Яс)], нижний порог У8яс:

У8Яс=УШЯ-[(ЯАхУ00)/Яс]. Компаратор может быть генератором устойчивых колебаний с кварцевым резонатором в обратной связи (рис. 4). Резисторы Яа и Яв делят напряжение питания Уээ пополам и определяют уровень напряжения срабатывания компаратора. Резистор Яс определяет постоянную времени цепи Яс, которая должна быть установлена несколько больше времени периода кварцевого генератора. Это значит, что 50 % времени на выходе компаратора будет поддерживаться высокий уровень напряжения, и столько же — низкий.

ТС3401 имеет два дифференциальных мультиплексированных входа, а также вход отключения, встроенные компараторы «сброса» и контроля напряжения (рис. 5 и 6).

У ВАТТ

1 МП —и

10|*F

Рис. 5. Схема включение ТС3401

ТАЙМЕР (

ЗАДЕРЖКИ

"Й>-

-^1.23В

Рис. 6. Структурная схема ТС3401

Аналого-цифровые преобразователи (закон преобразования сигма-дельта)

Фирма Microchip представляет широкий набор дешевых маломощных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), использующий закон преобразования сигма-дельта.

TC340X обеспечивают от 8 преобразований в секунду с 16-разрядным разрешением (15 разрядов и знак) до 512 — с 10-разрядным. АЦП используются в качестве периферии микроконтроллеров и оптимизированы для работы от однополярного низковольтного источника питания с минимальным напряжением 1,8 В. Они имеют внутренний источник опорного напряжения и позволяют также использовать внешний. Напряжение внутреннего источника 1,193 В, что обеспечивает при 16-разрядном разрешении точность преобразования до 72,8х10- 6 В.

TC3400 имеет один дифференциальный вход.

ТС3402 имеет два дифференциальных мультиплексированных входа.

ТС3403 имеет четыре несимметричных мультиплексированных входа, а также встроенные компараторы «сброса» и контроля напряжения.

ТС3404 имеет два несимметричных и два дифференциальных мультиплексированных входа, а также встроенный компаратор контроля напряжения.

ТС3405 имеет один дифференциальный и три несимметричных мультиплексированных входа, а также вход отключения и встроенный компаратор «сброса».

Для управления АЦП используется двух-проводный последовательный цифровой интерфейс. По входу <^сЬК» осуществляется синхронизация последовательного порта внешними тактами и управление, а по выходу «SDAT» — чтение данных и подтверждение исполнения. Когда преобразование не производится, АЦП находится в режиме останова, на линиях <^сЬК» и «SDAT» устанавливается высокий уровень.

Перед началом преобразования на входах «ADDR» (рис. 7) должен быть установлен адрес выбранного входного канала, который фиксируется во внутреннем регистре по заднему фронту сигнала на линии <^сЬК» при запуске.

ADDR

О

СТАРТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И УСТАНОВКА РАЗРЕШЕНИЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ

Рис. 7. Временная диаграмма старта преобразования и передачи данных

Запуск преобразования осуществляется по заднему фронту на линии «SCLK», при этом включается внутренний тактовый генератор и на выходе «SDAT» устанавливается низкий уровень. Максимальное время преобразования t3 составляет 125 мс для 16-разрядного разрешения. Каждый дополнительный задний фронт на линии «SCLK» после запуска преобразования и в течение интервала времени t4 = t3/85,7 уменьшает разрешение на один разряд и сокращает время преобразования в два раза. Таким образом, при посылке 6 импульсов разрешение может быть уменьшено до 10 разрядов. Если за время t4 передано более 6 импульсов, то лишние будут игнорироваться. После каждого заднего фронта на линии «SCLK» в интервале t4 на выходе «SDAT» устанавливается высокий уровень, подтверждающий исполнение команды, который снова становится низким после установки на линии «SCLK» исходного состояния.

После того, как преобразование закончено, на выходе «SDAT» устанавливается высокий уровень и АЦП возвращается в режим останова. Чтение данных осуществляется передачей тактов по линии «SCLK», количество которых определяется разрешением преобразования. Передача последовательного слова данных осуществляется, начиная со старшего (знакового) бита (MSB), по заднему фронту на линии «SCLK» и заканчивается младшим (LSB). Длительность импульсов синхронизации должна быть в пределах 50-750 нс в зависимости от параметров обработки и питающего напряжения.

Вход отключения «ENABLE», если на нем установлен низкий уровень, прерывает любое преобразование или чтение данных и приводит АЦП в исходное состояние, устанавливает режим останова.

Встроенные компараторы «сброса» и контроля напряжения позволяют минимизировать схему приложения, то есть обойтись без супервизоров напряжения. Каждый компаратор имеет источник опорного напряжения 1,23 Ви обеспечивает гистерезис 0,03 В. Они имеют на выходе транзистор с открытым стоком и активным низким уровнем сигнала. Компаратор «сброса» дополнительно имеет встроенную задержку установки высокого уровня на выходе.

TC3400 изготавливается в 8-контактных корпусах PDIP и SOIC, а остальные — в 16-контактных QSOP и PDIP.

Аналого-цифровые преобразователи (двойного интегрирования)

Фирма Microchip Technology представляет ряд дешевых маломощных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), использующих закон преобразования двойного наклона.

TC500/500A/510/514 — семейство компонентов, представляющих собой аналоговую часть точных АЦП двойного наклона, имеющих максимальное разрешение 17 разрядов плюс знак. Каждый элемент содержит интегратор, компаратор и логику интерфейса процессора. TC500 является базовым элементом. Его максимальная точность — 16 разрядов. Питание должно осуществляться от двухполярного источника напряжения. TC500A идентичен TC500, но имеет большую линейность, обеспечивающую максимальное разрешение 17 разрядов. TC510 имеет встроенный преобразователь отрицательного напряжения и может работать от однополярного источника питания. TC514 имеет встроенный преобразователь отрицательного напряжения и аналоговый мультиплексор для четырех входных дифференциальных каналов.

Все элементы имеют одинаковый интерфейс управления процессора, состоящий из трех проводов: входы А и В управления фазами пре-

образования и выход компаратора перехода через нуль (сМРТЯ). Процессор формирует на линиях А и Б (рис. 8) последовательность состояний, соответствующую четырем фазам преобразования Гс5ХХ: автообнуление, интегрирование, деинтегрирование и обнуление интегратора.

В течение фазы автообнуления напряжения смещения в гс5ХХ восстанавливаются механизмом обратной связи по замкнутой петле.

В течение фазы интегрирования входное напряжение подключено к интегратору. При этом на выходе интегратора формируется величина ^/Л, пропорциональная входному напряжению. Чем выше входное напряжение, тем больше величина напряжения, запасенного в течение этой фазы на интеграторе.

В начале фазы деинтегрирования к интегратору подключается внешнее опорное напряжение, и одновременно внешний микроконтроллер запускает свой таймер. Когда на выходе сМРгЯ происходит изменение уровня, микроконтроллер останавливает таймер. Значение, зафиксированное в таймере, и является результатом преобразования аналоговых данных.

В течение фазы обнуления интегратора (заключительная фаза преобразования) удаляется остаточное напряжение, и интегратор подготавливается к следующему преобразованию.

Тс500/500А/510/514 обеспечивают высокое разрешение (до 17 разрядов), превосходное подавление шумов 50 Гц/60 Гц, низкое потребление, низкие входные токи смещения и меньшую стоимость по сравнению с другими технологиями преобразователя, имеющими подобные скорости преобразования.

ТС520А — адаптер последовательного интерфейса, обеспечивающий логику управления для АЦП двойного интегрирования семейства микросхем Гс500/500А/510. Он формирует для гс500 фазы управления преобразованием по линиям А, в и сМРгЯ, уменьшая таким образом загрузку процессора и сложность программного обеспечения

АНАЛОГОВЫЙ ВХОД О— (vin)

ОПОРНОРЕ

НАПРЯЖЕНИЕ

ИНТЕГРАТОР

ТС510

КОМПАРАТОР

fINT

>

ДРАЙВЕР КЛЮЧА

УПРАВЛЕНИЕ

УПРАВЛЕНИЕ

ПОЛЯРНОСТЬЮ

ЛОГИКА

Vin ** V НАСЫЩЕНИЯ

^V|N ~ ^ ^НАСЫЩЕНИЯ

VsuPPLY

Vint

Tint Tdeint

Рис. 8. Структура АЦП двойного наклона

i/o

МИКРОКОНТРОЛЛЕР

ROM

RAM

ТАЙМЕР

счетчик

CMPTR

OUT

Юк

ІУіи»>------[

ІУІй>

ш>

Гру>

Рис. 9. Схема включения TC520A

(рис. 9). Связь с ТС520А осуществляется через трехпроводный последовательный порт.

Запуск преобразования осуществляется установкой низкого уровня на входе СЕ. Результат преобразования хранится в 18-разрядном регистре (17-разрядное значение плюс знак) до тех пор, пока не будут считаны процессором или не закончится следующее преобразование. Передача преобразованных данных может осуществляться из ТС520А в любое время. После завершения преобразования устанавливается активный уровень на выходе БУ, и данные пересылаются в 18-разрядный регистр. Этот сигнал может использоваться процессором для чтения готовых данных.

Синхронизация ТС520А может осуществляться от внешнего источника частоты до 6 МГц или от собственного внешнего кварцевого резонатора. Для питания ему требуется однополярный источник напряжением 5 В, потребляемая мощность — не более 7,5 мВт.

ТС530/534 — высокоточные АЦП двойного интегрирования с последовательным интерфейсом. ТС530 состоит из АЦП двойного наклона, источника отрицательного напряжения и трехпроводного последовательного порта. ТС534 идентичен ТС530, но дополнительно имеет аналоговый мультиплексор для четырех входных дифференциальных каналов (рис. 10).

Запуск преобразования данных осуществляется, когда на входе RESET устанавливается низкий уровень. После окончания преобразования данные загружаются в выходной регистр, и на выходе EOC устанавливается активный уровень, указывая готовность новых данных. Результат преобразования хранится в 18-разрядном регистре (17-разрядное значение плюс знак) до тех пор, пока не будет считан процессором или не закончится следующее преобразование, что позволяет читать их в любое время.

Синхронизация TC530/534 может осуществляться от внешнего источника с частотой до 2 МГц или от собственного внешнего кварцевого резонатора. Для питания TC530/534 требуется однополярный источник напряжением 5 В и элементы для внутреннего источника 5 В, выходной ток которого — 10 мА. Этот выход может использоваться для питания отрицательным напряжением других элементов системы.

Цифро-аналоговые преобразователи

TC1320/TC1321/TC1322 — ЦАП, которые предназначены для работы от однополярного источника напряжением 2,7-5,5 В. TC1320 обеспечивает преобразование 8-разрядного двоичного кода в выходное напряжение, TC1321 — 10-разрядного и TC1322 — 12-разрядного.

Начальная установка ЦАП при включении питания осуществляется внутренним формирователем, что обеспечивает однозначное состояние элемента перед началом работы.

ЦАП состоят (рис. 11) из регистра данных (DATA), регистра состояния (CONF) и выходного усилителя тока. ЦАП используют внешний источник опорного напряжения, уровень которого определяет максимальное выходное напряжение.

Преобразование ЦАП основано на формировании тока, пропорционального значению двоичного кода, записанного в регистр данных, при помощи матрицы согласованных источников тока, которая выполнена на прецизионных резисторах. Выходное напряжение ЦАП равняется:

УоиТ=УЯЕБх (БАТА/2 Ы), где N — разрядность ЦАП.

Вход опорного напряжения УЯЕБ имеет высокое полное сопротивление, входную емкость 10 пФ и потребление по входу менее 1 мкА. Напряжение внешнего источника может быть в диапазоне от 0 до Убб (1,2 В).

ЦАП имеет выходной усилитель с единичным коэффициентом усиления, типовая

АНАЛОГОВЫЕ ВЫХОДЫ '

'“IN

0.33(iF

Caz

0.22jiF

HZZH

Rint

100k

'-REF -L-0.22nF“H_

MUX

Channel

Control

1 jxF —

Inl + Ini - RESET VCDD

In2 + In2 " Vdd EOC

In3 ^ R/W In3 Dout TC534 IN4+ Din IN4_ Dclx

CINT osc,N

Caz BUF

Vss DGND

r + '-REF

(—

'“REF A0 A1 CAP+ CAP- Vref VrIf АСОМ

+5V Cl o .01 u.F

a

£

+5V

o

10|xF

100Q

-CZb

ПРОЦЕССОР

Vdd

(1.03 V)

TC04

(1.25V VREF)

.01nF--------1(іР

VCCD

V

Рис. 10. Схема включения TC534

+5V

скорость нарастания которого 0,8 В/мкс. Максимальное изменение напряжения во всем диапазоне осуществляется за 10 мкс при нагрузке 1 кОм и емкости 100 пФ.

Передача данных в ЦАП осуществляется через двухпроводный последовательный интерфейс, совместимый с 8МБш/12С, функционирующий в режиме ведомого.

Этот же интерфейс позволяет управлять режимом ЦАП. Бит «8НЭ№> в регистре состояния позволяет установить режим малого потребления (ток потребления — 0,5 мкА). В этом режиме ЦАП отключается, но последовательный интерфейс продолжает функционировать.

Небольшие размеры (8-контактный корпус в01С), малое потребление и низкая стоимость позволяют применять ЦАП в различных системах, например, в программируемых источниках напряжения (рис. 12), программно управляемых усилителях и аттенюаторах и т. д.

Преобразователи напряжение/частота и частота/напряжение

ТС9400/ТС9401/ТС9402 — дешевые преобразователи напряжение/частота (У/Б), выполненные на основе микромощных КМОП-элементов. Преобразователи обеспечивают преобразование входного аналогового напряжения в последовательность импульсов, частота которых линейно пропорциональна входному напряжению (рис. 13).

Рис.14. Преобразователь частота/напряжение 10 кГц

Эти элементы также могут использоваться как высокоточные преобразователи частота/напряжение (F/V), принимающие на входе частотный сигнал любой формы и обеспечивающие линейно-пропорциональное напряжение на выходе (рис. 14).

Питание преобразователей может осуществляться от однополярного источника напряжения 8-15 В или двуполярного с напряжением от ± 4 до ± 7,5 В, потребляемая мощность — 27 мВт.

Максимальная частота преобразований — 100 кГц.

Законченный V/F- или F/V-преобразователь требует дополнительно два конденсатора, три резистора и опорное напряжение.

V/F-преобразователь работает на основе балансировки зарядов. Входное напряжение (Vin) преобразуется в ток (Iin) входным резистором, а ток — в заряд на интегрирующем конденсаторе и проявляется как линейно уменьшающееся напряжение на выходе операционного усилителя. Пороговый детектор

-5В

РЕГУЛИРОВКА

СМЕЩЕНИЯ

5BÔ ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ (-5В]

Рис.13. Преобразователь напряжение/частота 10 Гц -г 10 кГц

устанавливает низкии уровень на выходе, который позволяет опорному напряжению поступать на опорный конденсатор, пока он не зарядится полностью. При этом заряд на интегрирующем конденсаторе уменьшается на фиксированное значение ^ =СяерхУяер), изменяя выходной сигнал операционного усилителя.

После этого Сяеб закорачивается для того, чтобы рассеять запасенный заряд для следующего цикла. Таким образом, разряд интегрирующего входного конденсатора сбалан-сируется с фиксированным зарядом от опорного напряжения. Если входное напряжение увеличивается, то число опорных импульсов, требуемых для поддержания уровня равновесия, также увеличится, соответственно изменяя выходную частоту. Каждое приращение заряда линейно увеличивает частоту. Точность ширины выходных импульсов не влияет на линейность У/Б-преобразования, так как импульсы должны быть достаточно длинными для полной передачи заряда.

Короткие выходные импульсы (выход Бгед) преобразуются на делителе, и на выход Бгед/2 поступает симметричный сигнал скважностью 2.

Б/У-преобразователь формирует на выходе напряжение, линейно-пропорциональное частоте входного сигнала.

Каждое срабатывание входного порогового детектора запасает точное количество заряда (д=СЯЕРхУяЕБ), которое накапливается на операционном усилителе. Этот заряд, в свою очередь, течет через резистор обратной связи и формирует импульсы напряжения на выходе операционного усилителя. Конденсатор (Сют), параллельный резистору Яют, сглаживает эти импульсы, среднее значение которых и является напряжением, линейно-пропорциональным входной частоте.

Величина пульсаций на выходе Уоит обратно пропорциональна емкости СЮТ, которая может быть увеличена до 100 мкФ, что приемлемо для низких частот.