CC BY
897Компоненты и технологии, № 8'2003
Российский операционный усилитель КМОП
с архитектурой rail-to-rail
Одной из основных тенденций рынка ИС операционных усилителей в настоящий момент является появление и широкое распространение так называемых rail-to-rail ОУ. Данным термином в зарубежной литературе принято классифицировать ОУ, диапазоны изменений выходного и синфазного входного напряжений которых занимают весь спектр значений, лежащих между уровнями питающих напряжений. Де-факто название rail-to-rail стало общепринятым и в отечественной литературе (см., например, [1]). Использование этого термина в предлагаемой статье применительно к ИС отечественного производства обусловлено стремлением авторов к привлечению внимания разработчиков, использующих импортные комплектующие и привыкших к терминологии зарубежных поставщиков.
Василий Лысь, Юрий Попов, fатьяна Сергеева, Дмитрмй Шлёмин
market@okbnzpp.ru,
d.chlemine@ieee.org
С переходом на все более прогрессивные технологические процессы изготовления цифровых СБИС, с уменьшением минимального топологического размера происходит неизбежное снижение напряжения питания, а поскольку построить законченную систему только на цифровых элементах практически невозможно, то соответственно возрастают требования и к элементной базе аналогоцифрового интерфейса, основным компонентом которого был и остается ОУ. Стандартным ОУ общего назначения, как известно, присущи ограничения на диапазоны входных и выходных напряжений, из-за которых 2-3 В из номинала напряжения питания фактически оказываются потерянными при определении динамического диапазона системы. При двуполярном питании ±15 В это обстоятельство не создает заметных проблем, однако при построении современных аналого-цифровых систем используется однополярное питание 2,5, 3,3 и 5 В, что диктует применение только ОУ архитектуры гаД4о-гаД. В дальнейшем эта тенденция приведет к переходу на рабочие напряжения питания на уровне 1 В. Фирма ХДіпх, например, уже объявила о выпуске нового семейства ПЛИС 8раі!ап-3, изготавливаемого на пластинах диаметром 300 мм по технологии с топологическими нормами 90 нм и напряжением питания 1,2 В. Цена таких изделий составляет около $20 за кристалл с 1 миллионом вентилей (http://www.xilinx.com/ 8раЛап3), что фактически знаменует собой начало перехода на качественно новый уровень в области элементной базы сложных систем. Для работы в таких системах обычных ОУ гаДЧо-гаД уже недостаточно, и становятся актуальными так называемые ОУ Ьеуоп^іЬе-гаіЬ, работоспособные при входных синфазных сигналах, выходящих за рамки уровней шин питания [2].
SB
Помимо фактора, обусловленного тенденцией к снижению напряжения питания цифровых СБИС, необходимо отметить, что неуклонно расширяется область экономичных низковольтных применений ОУ, таких, как портативная аппаратура с батарейным питанием, слуховые аппараты, тонометры, кардиостимуляторы и другие приборы медицинского назначения, портативные аудиоустройства, а также аппаратура специального применения.
Учитывая перечисленные факторы и тенденции, ФГУП «НЗПП с ОКБ» разработало на основе архитектуры rail-to-rail серию счетверенных КМОП ОУ, состоящую из четырех ИС: К1476УД1Т, К1476УД2Т, К1476УД3АТ, К1476УД3БТ. Каждая ИС содержит четыре программируемых КМОП ОУ с раздельными входами и выходами, имеющих общую цепь программирования рабочего режима и общий вход для перевода ИС в ждущий режим с малым потреблением (функция Standby). Программирование осуществляется выбором сопротивления одного внешнего резистора, включаемого между входом R ИС и положительным выводом источника питания.
Структурная схема одного ОУ ИС, отражающая общие признаки архитектуры rail-to-rail применительно к КМОП-технологии, приведена на рис. 1. Основной чертой, характерной для всех КМОП rail-to-rail ОУ, является построение входного дифференциального каскада на основе параллельного включения комплементарных дифференциальных пар МОП-транзисторов, за счет чего обеспечивается работоспособность ОУ в диапазоне синфазных входных напряжений, который может даже превышать пределы, установленные напряжениями шин питания (то есть обеспечивается режим beyond-the-rails), но на величину, не превышающую прямое падение напряжения на диодах входной защиты. По анало-
-------www.finestreet.ru--------------------------
Компоненты и технологии, № 8'2003
<ш>-
©
<Z^
<Z>-
!>- -<А h Н
©
<Uss^>-
компл еме нта р ная каскадная схема
Н
выход
I—
к-
Рис. 1. Структурная схема одного ОУ ИС К1476УД...Т
Таблица 1. Электрические характеристики ИС серии К1476УД...Т при исс=5 В и Т=25 °С (предварительные) и предельно допустимые режимы работы
Параметр Обозна- чение Единица измерения Тип ИС Значение параметра при Io 5 мкА 50 мкА 250 мкА
К1476УД1Т 50 000 40 000 20 000
Коэффициент усиления, не менее Ku0 К1476УД2Т 200 000 100000 40 000
К^бУ^Т, К1476УД3БТ 50 000 20 000 10 000
К1476УД1Т 10 10 10
Напряжение смещения, не более UOS мВ К1476УД2Т 10 10 10
К1476УД3ДТ 1 1 1
К1476УД3БТ 3 3 3
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений К1476УД1Т 70 65 60
CMRR дБ К1476УД2Т 66 60 52
К^бУ^Т, К1476УД3БТ 70 65 60
Скорость нарастания выходного напряжения К1476УД1Т 0,8 8 20
SR * В/мкс К1476УД2Т 0,5 6 15
К^бУ^Т, К1476УД3БТ 0,6 7 18
К1476УД1Т 2,5 8 15
Частота единичного усиления GBW * МГц К1476УД2Т 0,8 3 6
К^бУ^Т, К1476УД3БТ 1 4 7
Коэффициент ослабления помех по питанию, не менее PSRR дБ К1476УД...Т 120 120 120
К1476УД1Т 0,3 2,6 11
Ток потребления в рабочем режиме |СС h\A К1476УД2Т 0,12 1,3 6
К^бУ^Т, К1476УД3БТ 0,2 2,2 10
Ток потребления в режиме Standby I.tb м^ К1476УД...Т 20
Максимальный выходной ток but h\A К1476УД...Т 35
Максимальный размах выходного напряжения при сопротивлении нагрузки: RL=60 Ом; RL=1 кОм; RL=10 кОм. AUout** В К1476УД...Т 1,3 0,2 0,02
Диапазон допустимых напряжений питания Ucc В К1476УД...Т 2,7-9
Допустимый диапазон синфазных входных напряжений Ue„ В К1476УД...Т 0-U«
Допустимый диапазон дифференциальных входных напряжений Udif В К1476УД...Т 0-U«
Диапазон допустимых напряжений питания Ucc В К1476УД...Т 2,7-9
Допустимый диапазон синфазных входных напряжений Ue„ В К1476УД...Т 0-U«
Допустимый диапазон дифференциальных входных напряжений Udif В К1476УД...Т 0-U„
Температурный рабочий диапазон Т °С К1476УД...Т 5 8 + 5 2 -
Примечания:
* При емкости нагрузки С|=50 пФ
** А110и| — разность между уровнем напряжения любой из шин питания и соответствующей границей диапазона линейности выходного напряжения.
-----------------------www.finestreet.ru-----------------------------------------------
гичной структурной схеме реализованы отечественные КМОП ОУ серии 1446 [3], в состав которой входит счетверенный ОУ 1446УД3, являющийся ближайшим отечественным аналогом ОУ серии К1476УД...Т. Основным преимуществом ИС серии К1476УД.Т по отношению к ИС 1446-й серии являются улучшенные функциональные возможности (за счет программирования рабочего режима ОУ и наличия функции Standby). Первый фактор обеспечивает:
• универсальный характер ИС, ОУ которой, в зависимости от номинала одного внешнего резистора, может быть как микро-мощным, так и быстродействующим, причем переход от одного режима к другому может происходить в процессе работы ИС под воздействием внешнего управляющего сигнала;
• расширение области применения ОУ за счет новых нестандартных схемотехнических решений.
Второй из перечисленных выше факторов позволяет оптимизировать мощность потребления в системах с активным и пассивным режимами работы, например, в приемниках систем персонального радиовызова. Вопросам применения ИС серии К1476УД. Т, в том числе и нестандартным, имеющим определенные преимущества перед типовыми, посвящена отдельная статья, которая будет предложена вниманию читателей в ближайшее время.
Ближайшими зарубежными аналогами ИС серии К1476УД...Т являются ИС TLV2465 фирмы Texas Instruments (http://www.ti.com) и AD8594 от Analog Devices (http://www.analog. com). Оба аналога совместимы с ИС серии К1476УД...Т по выводам, имеют функцию Standby, но, поскольку возможность программирования в данных аналогах не предусмотрена, вывод № 8 16-выводного корпуса в них не используется (обозначен как NC — no connect). К1476УД...Т проигрывает названным зарубежным аналогам по единственному параметру — максимальному выходному току, но превосходит их по диапазону допустимых питающих напряжений, коэффициенту усиления по постоянному току и коэффициенту подавления синфазного сигнала. Это обусловлено тем, что для производства зарубежных аналогов используется КМОП-технология с меньшими топологическими нормами, на основе которой проще обеспечить большой выходной ток, но труднее сохранить точностные показатели и которая к тому же является более низковольтной. Недостатком серии К1476УД...Т является также планарный металлокерамический корпус типа 402.16, однако предприятие-изготовитель планирует переход на более современное конструктивное исполнение.
Структурная схема ИС К1476УД. Т приведена на рис. 2. Рабочий режим каждого ОУ ИС задается четырьмя напряжениями, которые вырабатывает общий для всех каналов блок BIAS. Назначение выводов описано в таблице 2.
Основные технические характеристики ОУ серии К1476УД. Т приведены в таблице 1, а на рис. 3-5 приведены амплитудно-частотные характеристики ОУ с разомкнутой це-
59
Компоненты и технологии, № 8'2003
BIAS
СР
EN N
10
< --
У
СР
CN-
Ем
- >
р"
СР
CN
ЕЛ
^Г04>
16
Рис. 2. Структурная схема ИС К1476УД...Т (цифрами указана нумерация выводов]
Частота
Рис. 3. A4X ОУ ИС К1476УД1Т с разомкнутой обратной связью
Таблица 2. Назначение выводов ИС серии К1476УД.Т
№ вывода Назначение вывода
1 выход 1-го ОУ
2 инвертирующий вход 1-го ОУ
3 неинвертирующий вход 1-го ОУ
4 положительное напряжение питания +Ucc
5 неинвертирующий вход 2-го ОУ
6 инвертирующий вход 2-го ОУ
7 выход 2-го ОУ
8 вход R для подключения внешнего токозадающего резистора к +Ucc или генератора втекающего тока
9 вход EN активизации режима Standby (активный уровень — высокий)
10 выход 3-го ОУ
11 инвертирующий вход 3-го ОУ
12 неинвертирующий вход 3-го ОУ
13 отрицательное напряжение питания («земля») Uss
14 неинвертирующий вход 4-го ОУ
15 инвертирующий вход 4-го ОУ
16 выход 4-го ОУ
пью обратной связи для трех значений про- К1476УД...Т и изготавливается на основе
граммирующего тока. стандартного технологического процесса
ИС К1476УД1Т является базовым вариан- КМОП. ИС К1476УД2Т выполнена по иден-
том ОУ архитектуры гаіі-іо-гаіі серии тичной с ИС К1476УД1Т электрической
60
принципиальной схеме, однако в технологический процесс ее изготовления введена дополнительная операция, что привело к заметному увеличению коэффициента усиления по постоянному току, но также и к ухудшению динамических параметров. ОУ ИС К1476УД3АТ, К1476УД3БТ отличается от базового варианта тем, что во входном дифференциальном каскаде работает только пара транзисторов одного типа, что, строго говоря, должно приводить к тому, что данное устройство не является гаДЧо-гаД ОУ по входу. Однако благодаря тому, что входные дифференциальные пары спроектированы с учетом возможности работы в подпороговом режиме, практически трудно зафиксировать заметное отличие данного ОУ от остальных по диапазону синфазного входного сигнала. С другой стороны, существенным преимуществом этой ИС является заметно меньшее напряжение смещения, — у ИС К1476УД3АТ этот параметр не превосходит величины 1 мВ для всех четырех ОУ, расположенных на кристалле ИС.
Таким образом, анализ электрических характеристик ИС серии К1476УД...Т и их сравнение с параметрами отечественных и зарубежных аналогов свидетельствуют, что ОУ данной серии являются современными КМОП гаПЧо-гаД ОУ, которые могут составить конкуренцию аналогичным изделиям ведущих мировых фирм-произво-дителей на внутреннем рынке, особенно в тех областях, где имеются требования функционирования в жестких условиях эксплуатации.
Возвращаясь к вопросам системного характера, уже затронутым в начале статьи, отметим, что в последнее время наметилась тенденция к проектированию систем на кристалле на основе так называемых 1Р-моду-лей, под которыми понимаются законченные функциональные фрагменты системы, выполняющие типовые функции и имеющие тот или иной уровень реализации (алгоритмический, программный, уровень
- www.finestreet.ru----------------------
Компоненты и технологии, № 8'2003
Частота
Рис. 5. АЧХ ОУ ИС К1476УД3...Т с разомкнутой обратной связью
K1476UDxx Op amp noise performance
Рис. б. Спектральная плотность напряжения шума, приведенная ко входу
Є~
HDL-описaния, схемотехнический, топологический). Такой подход позволяет пользователю библиотеки 1Р-модулей компоновать разрабатываемую им систему из этих модулей как их «черных ящиков», абстрагируясь от их структуры и используя интеллектуальные ресурсы, воплощенные в 1Р-модулях, сократить сроки и стоимость проектирования системы, а также снизить его риск. Поскольку уже сейчас более четверти всех проектируемых систем на кристалле являются аналого-цифровыми, а к 2006 году прогнозируется, что их доля достигнет 70% [4], то возрастающая актуальность аналоговых и аналого-цифровых 1Р-модулей, совместимых с идеологией «система на кристалле» (а значит, и с современными технологиями цифровых КМОП СБИС), становится очевидной. В этом аспекте, учитывая тот факт, что ОУ серии К1476УД...Т изготавливаются по стандартной цифровой технологии КМОП, данные ОУ могут рассматриваться как апробированные на практике 1Р-модули схемотехнического и топологического уров-
--------------------www.finestreet.ru-
ней, имеющие известный уровень параметров. Как топологический 1Р-модуль этот ОУ может использоваться при проектировании сложных аналого-цифровых БИС на основе технологии предприятия-изготовителя ИС серии К1476УД. Т, как схемотехнический 1Р-модуль ОУ может применяться в СБИС типа «система на кристалле», разрабатываемых на основе более прогрессивных технологий.
Литература
1. Русак А. Операционные усилители Rail to rail от STMicroelectronics // Компоненты и технологии. 2001. № 3.
2. Петров М. Аналоговые и аналого-цифровые микросхемы MAXIM // Компоненты и технологии. 2001. № 3.
3. Бирюков С. Операционные усилители серии КР1446 // Радио. 2001. № 1.
4. Денисенко В. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС // Компоненты и технологии. 2002. № 3.
61
