CC BY
84Новейшие операционные усилители Texas Instruments
с программируемым коэффициентом усиления и мультиплексором
В статье рассмотрены новинки аналоговой техники — микросхемы усилителей с программируемым усилением и входным многоканальным мультиплексором.
Виталий БЕРЕЛИДЗЕ
berelidze@compel.ru
Операционные и инструментальные усилители от Texas Instruments, в том числе и прецизионные, разработкой и производством которых заняты всего несколько производителей, известны и востребованы разработчиками. Недавно семейство прецизионных аналоговых интегральных микросхем фирмы пополнилось новой серией.
PGA112, PGA113 и PGA116, PGA117 представляют собой комбинацию одновходового усилителя с однополярным питанием и программируемым усилением (PGA) и входного мультиплексора. PGA112 и PGA113 имеют двухканальный мультиплексор и программное выключение для экономии электроэнергии, в PGA116 и PGA117 — 10-канальный мультиплексор, а отключение как программное, так и аппаратное. В PGA112 и PGA116 усиление выбирается из ряда (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128), а в PGA113 и PGA117 — из ряда (1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200).
Выбор канала мультиплексора и установка усиления выполняются через стандартный
ЭРГ-интерфейс. РОЛ112, РОЛ113 имеют 3-про-водный ЭРГ цифровой интерфейс, а РОЛ116, РОЛ117 — 4-проводный ЭР1 цифровой интерфейс с возможностью последовательного соединения по шине данных.
Области применения микросхем: дистанционное измерение электрических сигналов, портативные устройства сбора данных, системы сбора данных под управлением персонального компьютера, тестовое оборудование, программируемые логические контроллеры, устройства с автоматическим управлением усилением, устройства с батарейным питанием.
РОЛ112 и РОЛ113 конструктивно выполнены в корпусе МЭОР-10, РОЛ116 и РОЛ117 — в корпусе ТЭЭОР-20.
Основные электрические характеристики микросхем приведены в таблице 1, а функциональные схемы усилителей РОЛ112, РОЛ113 и РОЛ116, РОЛ117 изображены на рис. 1-2.
Во всех моделях используется раздельное питание аналоговой части ЛУШ и ци-
фровой части DVdd. Такая расщепленная архитектура питания позволяет упростить соединение с аналого-цифровыми преобразователями и микроконтроллерами в системах со смешанным питанием, например, в тех, где аналоговое питание AVDD = +5 В, а цифровое питание DVDD = +3 В. Аналоговый выходной каскад PGA и схема SPI цифрового интерфейса SPI питаются от DVDD. Для нормальной работы микросхем DVDD должно быть меньше или равно AVDD +0,3 В. После подачи питания PGA устанавливается в состояние с G = 1 и активным каналом CH0.
Четыре внутренних калибровочных канала предназначены для системной калибровки. Каналы подключены к GND, 0,9Vcal, 0,1Vcal и Vref соответственно. Vcal, внешнее напряжение, подключаемое к входу Vcal/CH0, служит опорным при системной калибровке. Если Vcal — опорное напряжение системного АЦП, калибровка усиления и смещения АЦП легко обеспечиваются через PGA с использованием только одного входа мультиплексора. Если калибровка не применяется, то Vcal/CH0 может использоваться как стандартный вход мультиплексора. Все четыре версии имеют вывод Vref, который может быть подключен к «земле» (рис. 2) или к средней точке питания в системах с однополярным питанием, в которых средняя точка питания используется в качестве виртуальной «земли» (рис. 1).
Усилитель с программируемым усилением представляет собой операционное устройство с однополярным питанием и rail-to-rail входом и выходом (RRIO). Чтобы обеспечить диапазон изменения входного напряжения от нуля и до напряжения питания, на входе использованы два параллельно включенных входных каскада. Как показано на рис. 3, на каждом входе есть p-ка-
Таблица 1. Электрические характеристики при напряжении питания +5 В
Напряжение смещения нуля Vos, мкВ Vcm = 2,5 В ±25 ±100
Vcm = 4,5 В ±75 ±325
Температурный дрейф смещения нуля dV0s/dT, мкВ/°С Vcm = 2,5 В 0,35 1,2
Vcm = 4,5 В 0,6 1,8
Входной ток канала im, нА ±1,5 ±5
Диапазон входного напряжения VIN, В GND-0,1 AVdd+0,1
Номинальное усиление G 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 128
1,2,5,10,20,50,100,200 200
Погрешность усиления, % G = 1 0,006 0,1
1 < G < 32 0,1
G > 50 0,3
Температурный дрейф усиления, ppm/°C G = 1 0,5
1 < G < 32
G > 50
Погрешность передачи каналов CAL2 и CAL3, % 0,02
Диапазон выходного напряжения Vout, В Iout = ± 0,25 мА GND+0,05 DVdd-0,05
Напряжение питания AVDD, В 2,2 5,5
Напряжение питания DVdd, В 2,2 5,5
Ток, потребляемый аналоговой частью IQA, мА 0,3 0,45
Ток, потребляемый цифровой частью IQD, мА 0,75 1,2
Таблица 2. Связь частотных характеристик с усилением (Сн =100 пФ, Rн = 10 кОм)
Усиление Полоса пропускания на уровне -З дБ, МГц Время спада, В/мкс Время нарастания, В/мкс Время установления с погрешностью 0,1% и амплитудой 4 В, мкс Время установления с погрешностью 0,01% и амплитудой 4 В, мкс
10 2,55
3,8 6,4 2,6
12,8 10,6 2,6
1,8 12,8 10,6 2,6
1,8 12,8 10,6 2,6
10 1,8 12,8 10,6 2,2 2,6
16 1,6 12,8 12,8 2,3 2,6
20 1,3 12,8 9,1 2,3 2,8
32 1,8 12,8 13,3 2,3 3
50 0,9 9,1 7,1 2,4 3,8
64 0,6 3,5 6
100 0,38 3,5 4,4 7
128 0,35 2,5 2,5 4,8 9
200 0,23 2,3 6,9 10
нальные МОП-транзисторы для работы вблизи потенциала «земли» и параллельно подключенные n-канальные МОП-транзисторы для работы вблизи напряжения питания. Когда синфазное входное напряжение (точнее, напряжение на единственном входе, поскольку этот усилитель с программируемым усилением (PGA) внутренне сконфигурирован для неинвертирующего включения) пересекает уровень, типично лежащий на 1,5 В ниже напряжения питания, происходит переключение между n-канальными и p-канальными транзисторами. В результате этого переключения появляется небольшое изменение входного напряжения смещения, передающееся на выход с установленным усилением. Это изменение для тех или иных экземпляров приборов может быть разным: и положительным, и отрицательным. Поскольку граница переключения иная для разных образцов микросхем, входное напряжение смещения нормируется для
входного напряжения выше и ниже границы переключения (таблица 1).
На рис. 4 показана базовая конфигурация использования PGA в качестве усилительного блока.
Выходное напряжение определяется выражением:
Vout = GxVin, (1)
где G = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 (для PGA112, PGA116); G = 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 (для PGA113, PGA117).
На рис. 5 изображена конфигурация PGA с Vref = AVDD/2, а выражения (2, 3) определяют выходное напряжение для нее. V0Ut0 — это выходное напряжение V0Ut, когда выбран канал CH0, а V0Ut1 — это V0Ut, когда выбран канал CH1. Эта конфигурация обеспечивает положительное и отрицательное изменение напряжения относительно виртуальной «земли» — средней точки питания. Вывод Vref не оказывает никакого воздействия при G = 1, потому что внутренний резистор обратной связи, RF, замкнут накоротко.
V0UT0 = GxVIN0-AVDD/2x(G-1)- (2)
Если G = 1, то V0UT0 = GxViN0.
VOUT1 =
G(Vin1+AVdd/2)-AVdd/2x(G-1);
VOUT1 = GxVin1+AV dd/2, где —AV DD/2 < GxVIN1 < +AV dd/2 (3)
и G = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 (для PGA112, PGA116); G = 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 (для PGA113, PGA117).
Типовое значение сопротивления обратной связи RI = 3,25 кОм. Соответствующее усилению значение сопротивления резистора обратной связи RF можно рассчитать по выражению (4).
G = 1+Rf/R]. (4)
Малосигнальная полоса пропускания и быстродействие усилителя (скорости нарастания и спада выходного сигнала) связаны с выбранным усилением. Частотные характеристики микросхем приведены в таблице 2. Полоса пропускания на полной мощности (то есть самая высокая частота, на которой синусоидальный сигнал может пройти через PGA без заметных искажений) связана с быстродействием уравнением (5):
SR [В/мкс] = 2pfxVOP(1x10-6), (5)
где SR — скорость изменения сигнала, В/мкс; f — частота, Гц; VOP — амплитуда выходного напряжения, В.
Входной аналоговый мультиплексор имеет два входных канала в PGA112 и PGA113 и 10 входных каналов в PGA116 и PGA117. Ключи мультиплексора сконструированы так, что они выключаются быстрее, чем включаются, и таким образом устраняют любые проблемы с замыканием двух источников входных сигналов между собой. Четыре внутренних калибровочных канала мультиплексора включены в состав аналогового мультиплексора для упрощения калибровки системы. Эти калибровочные каналы позволяют скорректировать погрешности усиления и смещения нуля АЦП. Калибровка не устраняет погрешностей смещения и усиления PGA при усилении, большем 1, но для большинства систем должно быть заметным существенное увеличение точности АЦП. Кроме того, эти калибровочные каналы могут использоваться АЦП, чтобы контролировать минимально и максимально возможные напряжения от PGA. В архитектуре системы
Рис. 4. Использование PGA в качестве усилительного блока
VfS_ACTUAL\^ .
Погрешность
OFFFh У А усиления Передаточная \ функция Vfs ideal с погрешностями // /
ч 8 Л усиления Ч и смещения нуля ПеРеДаТОЧНаЯ А / ^ функция // / с погрешностью
СО IS О X*/' усиления
О Q. Идеальная
-| передаточная
функция /л А /г
Vz_ACTUAL Л /г
OOOOh^ У
Погрешность Vz ideal Аналоговый выход
смещения нуля 0 В Vref adc-1 МЗР
Рис. б. Передаточная функция АЦП
может быть предусмотрена индикация выхода входных аналоговых сигналов за установленные пределы.
Для использования калибровочных каналов вывод УСЛ1/СН0 должен быть постоянно подключен к опорному напряжению системного АЦП. Вывод УдЕр должен быть подключен к источнику с низким выходным сопротивлением по постоянному и переменному токам, чтобы обеспечить минимальные погрешности по усилению и нелинейности. Вывод У№Р представляет максимальную нагрузку при 0 = 1, когда резистор 3,25 кОм включен между УОит и УдЕр. Для 5-В системы при ЛУш/2 = 2,5 В источник, подключенный к выводу УМР, должен отдавать минимум 2,5 В/3,25 кОм = 0,7 мА для Уоит, изменяющегося от «земли» до +5 В.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) имеют две погрешности, которые могут быть легко устранены калибровкой на уровне системы. Это погрешность усиления и погрешность смещения нуля. На рис. 6 показана типовая передаточная функция 12-разрядного АЦП. Аналоговое входное напряжение изменяется по оси X в диапазоне от нуля до
(УЯЕР_ЛОС 1МЗР), где УЯЕР_ЛОС опорное напряжение для АЦП. Ось Y — шестнадцатеричный эквивалент цифровых кодов результатов аналого-цифрового преобразования. Пунктирная красная линия показывает идеальную передаточную функцию с представлением нулевого напряжения как 0000 и представлением (УЙЕр Л0С — 1МЗР) как ОРРРЬ. Сплошная синяя линия показывает погрешность смещения нуля. Хотя сплошная
синяя линия включает в себя и погрешность смещения нуля, и погрешность усиления, при напряжении на аналоговом входе, равном нулю, может быть измерено напряжение смещения нуля Vz ACTUAL. Штриховая черная линия представляет функцию передачи с погрешностью усиления. Штриховая черная линия эквивалентна сплошной синей линии без погрешности смещения нуля и может быть определена при использовании
Vz_actual и Vz_ideal. Разница между штриховой черной и пунктирной красной линиями — погрешность усиления. Погрешности усиления и смещения нуля могут быть рассчитаны по известным выходным сигналам при нулевом и полном входных сигналах. Эти расчетные погрешности используются для коррекции отсчетов АЦП с целью устранения погрешностей усиления и смещения нуля. На практике нулевое входное напряжение (0 В) или максимальное входное напряжение (Vref aDc - 1МЗР) не всегда может быть измерено из-за наличия собственных погрешностей смещения нуля и усиления АЦП. Однако если выполнить измерения достаточно близко к максимальному и нулевому значениям входного сигнала, «нуль» и «диапазон» могут быть откалиброваны очень точно, в предположении идеально линейной передаточной функции АЦП. Для калибровки «нуля» выбирается 10% Vref aDc, а для калибровки «диапазона» —
9°% Vref_adc.
На рис. 7 показан пример гибкости масштабирования входа PGA. ViN0 — источник входного переменного сигнала с амплитудой 100 мВ, который подключен по переменному току к CH0. PGA112/PGA113 включена с напряжением питания Vs, равным +5 В, и Vref, равным с Vs/2 (+2,5 В). VcH0 — входное напряжение с амплитудой 100 мВ, смещенное по уровню и центрированное на Vs/2 (+2,5 В). При конфигурировании PGA113 с усилением 20 для вывода CH0 амплитуда выходного напряжения V0Ut составит 2 В относительно Vs/2 (+2,5 В). Для входа CH1 усиление G = 1; через резистивный делитель и резистивную цепь можно задать ±5 В или 0 В. Такая установка обеспечивает биполярность при масштабировании одиночного входа. Vref aDc — это опорное напряжение для АЦП, подключенного к выходу PGA112, PGA113.
Во всех моделях используется стандартный последовательный периферийный интерфейс (SPI), поддерживающий режимы 0,0 и 1,1.
Структура порта ввода/вывода для PGA116, PGA117 показана на рис. 8. CS, DIN иSCLK — это КМОП-входы с триггером Шмитта. DIN имеет источник тока 10 мкА на «землю», чтобы обеспечивать связь в гирлянде из нескольких PGA116, PGA117. DOUT — логический КМОП-выход. Когда CS в единичном состоянии, DOUT находится в высокоимпеданс-ном состоянии. Когда CS принимает низкий уровень, DOUT находится в состоянии проводимости.
Рис. 8. Структура цифрового порта ввода/вывода PGA116, PGA117
CS
SCLK
DOUT
DIN
MSP430
PGA116/PGA117
С5
SCLK 01 DIN1 DOUT1
PGA116/PGA117
CS
SCLK и2 DIN2 DOUT2
Рис. 10. Соединение микросхем гирляндой
Рис. 9. Структура цифрового порта ввода/вывода PGA112, PGA113
Как показано на рис. 9, в PGA112, PGA113 цифровой выход и цифровой вход объединены на выводе DIO. DIN — это только вход, а DOUT — цифровой выход с тремя состояниями. DIO имеет источник тока 10 мкА на «землю», чтобы предотвратить состояние плавающего вывода в системах с высокоимпе-дансной SPI-линией DOUT. Когда CS в единице, встроенный элемент DOUT в высоко-импедансном состоянии. Когда CS в нуле, состояние DIO зависит от предшествующей действенной связи через SPI; либо DIO становится выходом, чтобы синхронизировать данные, или остается входом, чтобы получать данные.
PGA116 и PGA117 поддерживают включение гирляндой с полной способностью к чтению/записи. Это позволяет уменьшить число используемых выводов порта ввода/вывода микроконтроллера. Схема из
двух последовательно включенных устройств показана на рис. 10, хотя в гирлянду может быть включено любое количество устройств. Используются общие линии SCLK и CS в SPI для всех устройств в гирлянде. В режим связи данные перегоняются через каждое устройство в гирлянде с использованием соответствующих выводов DIN и DOUT. PGA112 и PGA113 могут быть использованы как последнее устройство в гирлянде, если приемлем режим только с записью, поскольку PGA112, PGA113 не имеют отдельного вывода DOUT, чтобы подключать к выводу микроконтроллера DIN для чтения данных в такой конфигурации.
Чтобы одновременно обеспечить широко-полосность и большое усиление PGA112, PGA113 и PGA116, PGA117, следует соблюдать рекомендации по проектированию печатной платы и системы в целом.
Каждый вывод питания отдельно шунтируется на «землю» керамическим конденсатором, подключаемым непосредственно к выводам питания и «земли» микросхемы в том же слое печатной платы. Переходные отверстия можно использовать для подключения к слоям «земли» и питания. В такой конфигурации сохраняются паразитные индуктивные цепи, локально шунтирующие PGA. Хорошим решением в практике аналогового конструирования считается применение танталовых конденсаторов большого номинала для шунтирования каждого вывода питания.
Следует размещать VOUT и проводники других цепей с низким выходным сопротивлением подальше от входных каналов мультиплексора с их высоким входным сопротивлением. Плохая разводка сигнальных цепей может вызвать положительную обратную связь, нежелательную генерацию или чрезмерные выбросы и колебания при ступенчатом изменении сигналов. Если входные сигналы сильно зашумлены, входные каналы мультиплексора следует разделить охранными проводниками с любой стороны сигнальных проводников. Охранные проводники соединяются с «землей» около PGA и в точке входа сигнала в печатную плату. В многослойных платах нужно обеспечить отсутствие проводников, параллельных входным цепям мультиплексора, в смежных слоях; емкостная связь с другими слоями может вызвать проблемы. Для изоляции входных сигнальных проводников от сигнальных проводников используются слои «земли» в других слоях.
Кроме того, цифровые сигналы PGA следует сгруппировать и развести по возможности подальше от аналоговых входных сигналов мультиплексора. Цифровые сигналы являются сигналами с малыми временами нарастания и спада при низком выходном сопротивлении их источников и легко воздействуют на высокоомные входы входных каналов мультиплексора. Эта связь может создать нежелательный шум на выходном сигнале.
Входные каналы мультиплексора являются высокоомными, в комбинации с большим усилением может появиться нежелательный шум. Рекомендуется использовать низкоомные источники сигналов (<10 кОм), а также шунтировать входные каналы мультиплексора керамическими конденсаторами емкостью более 100 пФ непосредственно на входах мультиплексора. Низкое сопротивление источника и шунтирующий конденсатор, установленный непосредственно на входе канала мультиплексора, минимизируют взаимопроникновение между каналами, вызванное паразитной емкостной связью между смежными проводниками печатной платы и межвыводными емкостями. ■
На странице сайта Texas Instruments в Интернет http://focus.ti.com/general/docs/newproducts.
tsp?&contentType=3&releasePeriod=29 перечислены все новинки фирмы. Среди последних новинок:
• TDA2036D1 — монофонический усилитель D-класса с выходной мощностью 2,5 Вт на нагрузке 8 Ом, выполненный в виде кристалла с шариковыми выводами. Коэффициент полезного действия на мощности 0,4 Вт достигает 88%.
• TPA6047A4 — стереофонический усилитель для головных телефонов с напряжением питания 5 В и выходной мощностью 2 Вт на нагрузке 4 Ом. Коэффициент нелинейных искажений не превышает 0,1% при выходной мощности 1 Вт. Конструктивно выполнен в 32-выводном корпусе QFN.
• PCM1690 и PCM1691 — 24-разрядные 8-канальные аудио-ЦАП с частотой выборок до 192 кГц с дифференциальными и одиночными выходами соответственно, предназначенные для применения в высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре.
• PCM1789 — 24-разрядный стерео/аудио ЦАП счастотой выборок до 192 кГц с дифференциальными выходами, с несколькими аудио- и цифровыми управляющими интерфейсами.
• TLV320AIC3204 и TLV320AIC3254 — микромощные низковольтные стерео/аудиокодеки с программируемыми входами и выходами.
