Rail to rail input and output что это

Что нужно знать о входах rail-to-rail

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

Rail-to-rail ОУ чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. Вместе с тем, необходимо понимать, чем приходится расплачиваться за возможность их использования. На рисунке 4 показан входной каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-канальных транзисторов. P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из нижней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).

N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из верхней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рисунке 4 не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Большинство подобных двухкаскадных ОУ производства компании Texas Instruments (TI) разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам.

Рис. 4. Типовой входной каскад rail-to-rail содержит два N-канальных и пару P-канальных транзисторов

Входные P-канальные и N-канальные каскады отличаются значениями напряжения смещения (offset voltages). Если входной сигнал проходит через границу переключения каскадов, то это приводит к скачкообразному изменению напряжения смещения. Некоторые ОУ проходят заводскую лазерную подгонку или электронную подстройку для уменьшения напряжения смещения. Такая подгонка позволяет уменьшить скачок при переключении каскадов, однако не убирает его полностью. Схема, которая отвечает за переключение, в качестве базовой точки, использует положительное напряжение питания. При использовании питания 3,3 В это приводит к неприятному явлению – появлению средней точки (midsupply).

В большинстве приложений такое скачкообразное изменение смещения проходит незамеченным, однако для прецизионных схем это может стать проблемой. Также могут возникнуть искажения при работе с переменным сигналом, если такой сигнал пересекает точку переключения каскадов.

На рисунке 5 показан второй вариант реализации rail-to-rail-входов. Встроенный повышающий регулятор формирует для P-канального каскада напряжение, которое оказывается примерно на 2 В выше, чем напряжение питания. Использование повышенного напряжения позволяет с помощью единственного каскада работать с входным диапазоном rail-to-rail без каких-либо скачков.

Рис. 5. Входной каскад rail-to-rail с внутренним повышающим регулятором для питания P-канального каскада

Слова «повышающий преобразователь» для некоторых разработчиков звучат пугающе: «Разве эти преобразователи не шумят?» Однако наиболее современные модели производства TI стали заметно тише. Повышающий регулятор требует очень мало тока, так как используется только для питания входного каскада. Здесь не требуется дополнительных внешних выводов и конденсаторов – все интегрировано в ОУ. Уровень шума преобразователя оказывается меньше собственного широкополосного шума ОУ, и его редко можно увидеть во временной области. Однако устройства, анализирующие шумовой спектр этих ОУ, могут обнаружить в нем некоторые артефакты.

Не во всех приложениях требуется вход rail-to-rail. Инвертирующим усилителям и усилителям с неединичным коэффициентом усиления такой вход не нужен. И, тем не менее, его используют. Задумайтесь, действительно ли вам необходим rail-to-rail-усилитель? Многие инженеры предпочитают использовать их, чтобы не волноваться о выходе сигнала за рамки допустимого входного диапазона напряжений. Они применяют одни и те же ОУ во многих электронных узлах своих систем. Одни узлы требуют входа rail-to-rail, а другие – нет. Зная о существующих типах rail-to-rail и их особенностях, следует подходить к их выбору более осознанно. Если же возникают сомнения – всегда можно обратиться к инженерам на форуме TI E2E™ / Community Precision Amplifers.

Вот несколько примеров ОУ:

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник

Когда использовать усилитель с rail-to-rail входами и на что обращать внимание

Texas Instruments THS4281 OPA836 OPA2836

Xiyao Zhang, Texas Instruments

В начале своей магистратуры я работала над проектом, в котором для схемы мониторинга в нашей системе нанесения тонких пленок требовался буфер с единичным усилением на операционном усилителе (ОУ). После включения нового устройства я обнаружила, что все сигналы с уровнями, близкими к напряжению положительного источника питания, были обрезаны. Мой товарищ по лаборатории сказал: «О, ты же должна была использовать операционный усилитель rail-to-rail». Так я впервые узнала, что для предотвращения выхода входных сигналов за допустимые пределы мне нужен специальный тип ОУ.

В последние годы все больше ОУ (особенно в категории высокоточных низкоскоростных) имеют диапазон входных синфазных сигналов, включающий оба напряжения питания. Это, конечно, хорошая новость для начинающих разработчиков, таких, как я во времена магистратуры. Во многих случаях гибкость rail-to-rail входов и выходов (RRIO) усилителя позволяет использовать его в нескольких местах одной системы, благодаря чему появляется возможность сократить номенклатуру используемых компонентов. Но даже в тех случаях, когда минимизация перечня компонентов не столь критична, гибкость rail-to-rail входов усилителя все равно дает много преимуществ.

Буфер с единичным усилением в низковольтных системах с однополярным питанием

Одно из приложений, где можно реализовать эти преимущества – буфер с единичным усилением в низковольтной системе с однополярным питанием. Портативные системы с питанием от батарей повсеместно используются в целом ряде областей, например, в персональной электронике, сборщиках энергии и контрольно-измерительном оборудовании. В большинстве случаев эти системы работают от напряжения 3 В, или даже ниже, что сужает диапазон входных синфазных сигналов (input common-mode range – ICMR).

Для иллюстрации этой проблемы входного диапазона используем как пример семейство OPAx836 (OPA836/OPA2836). OPAx836 – это популярная серия ОУ, не имеющих rail-to-rail входа, но во всем остальном идеальных для портативной аппаратуры. Исключительно энергоэффективные ОУ OPA836 и OPA2836 имеют полосу пропускания 205 МГц и приведенное к входу напряжение шумов 4.6 нВ/√Гц, при этом потребляемый ими ток составляет всего 1 мА на канал. Кроме того, они доступны в миниатюрных корпусах. Такие преимущества позволяют использовать эти ОУ в портативных устройствах, где технические характеристики не должны приноситься в жертву строгим требованиям к потребляемой мощности и габаритам. OPAx836 также имеют rail-to-rail выход (RRO), что позволяет максимально расширить диапазон выходных напряжений для работы при низком напряжении питания. Однако входные синфазные сигналы OPAx836 ограничены диапазоном от (V_S– – 0.2 В) до (V_S+ – 1.1 В). «Недостающие» 1.1 В не создают проблем, если включение ОУ предусматривает некоторое усиление, скажем, больше 1.5 В/В, – в таком случае входному сигналу нет необходимости занимать весь диапазон питания. Но в буфере с единичным усилением и напряжением питания 3.3 В или меньше эти 1.1 В могут оказаться критичными для портативных систем, где динамический диапазон должен быть максимально широким.

Контроль положительной шины в портативных устройствах с батарейным питанием

Другое применение усилителей с rail-to-rail входом – мониторинг положительной шины в портативных устройствах с батарейным питанием. Для таких целей можно использовать выпускаемый Texas Instruments быстродействующий ОУ THS4281. Он имеет rail-to-rail вход при полосе пропускания 90 МГц и токе потребления всего 0.75 мА, что позволяет разработчикам строить быстрые и гибкие системы с малой потребляемой мощностью. На Рисунке 1 показана типовая схема измерения тока положительной шины питания с использованием THS4281. Вход rail-to-rail здесь очень удобен, поскольку входное синфазное напряжение схемы на Рисунке 1 обычно отстоит от напряжения положительной шины питания не более чем на 1 В, что исключает использования большинства усилителей без rail-to-rail входов, включая OPA836.

Рисунок 1.	Типовая схема измерения тока положительной шины питания с использованием THS4281.

Хотя усилители с rail-to-rail входами исключительно гибки и удобны, существует проблема, требующая пристального внимания. В большинстве усилителей с rail-to-rail входом используется топология входного каскада, аналогичная показанной на Рисунке 2. В этой схеме основной каскад на p-n-p биполярных или p-канальных МОП транзисторах, усиливающий сигналы в диапазоне от уровня, чуть меньшего напряжения отрицательной шины питания, до уровня, не доходящего примерно на 1.5 В до напряжения положительной шины, объединен с «вспомогательным» n-p-n/n-МОП каскадом, включающимся на последнем участке диапазона входных синфазных сигналов – в интервале между напряжением положительной шины питания и напряжением, меньшим на 1.5 В. Вследствие этого обычно существует переходная область, в которой происходит «переключение» между основным и вспомогательным каскадами.

Рисунок 2.	Во входных каскадах усилителей с rail-to-rail входами используются либо биполярные транзисторы (слева), либо MOSFET (справа).

Чтобы определить эту область, посмотрим на зависимость напряжения смещения (V_OS) от величины входного синфазного сигнала (V_ICR), пример которой для THS4281 показан на Рисунке 3. Как видим, когда V_INCM проходит диапазон напряжений между (V_S+ – 1.4 В) и (V_S+ – 1 В), V_OS «прыгает» вниз, обозначая область, где происходит переключение. Иногда в прецизионных приложениях, где измерения с единичным усилением должны иметь точность порядка 1 мВ, такой скачок V_OS нежелателен.

Рисунок 3.	Зависимость входного синфазного напряжения (VICR) от напряжения смещения (VOS) для микросхемы THS4281.

В распоряжении разработчиков интегральных схем имеются различные технологии уменьшения этой ошибки переключения, но если в микросхему не добавлен встроенный зарядовый насос, ошибка переключения будет существовать всегда. В большинстве случаев неприятности, доставляемые этой областью переключения, преодолимы. Например, в схеме на Рисунке 1, до тех пор, пока напряжение батареи V_BAT остается ниже 12 В, входной синфазный сигнал должен оставаться выше области переключения. Точно так же в схеме инвертирующего или трансимпедансного усилителя до тех пор, пока вы помните про область переключения, вы можете устанавливать любое значение входного синфазного напряжения в пределах диапазона питания. Кроме того, поскольку входные напряжения в этих схемах на ОУ не изменяются, последствия переключения гораздо менее заметны.

Заключение

Использование усилителя с rail-to-rail входами может дать много преимуществ, таких, например, как максимальное расширение динамического диапазона сигнальной цепи или сокращение списка необходимых компонентов. Есть некоторые вещи, о которых не следует забывать, например, о разрыве графика V_OS во время переключения входных каскадов. Впрочем, как я уже говорила, это не препятствие, а скорее неудобство.

Материалы по теме

Перевод: Дмитрий Иоффе по заказу РадиоЛоцман

Источник

Операционные усилители Rail to Rail от STMicroelectronics.

STMicroelectronics, являясь одним из лидеров в производстве аналоговых полупроводниковых компонентов, основной фокус в этой области делает на операционные усилители (далее ОУ). Компания предлагает широкий выбор ОУ, включая полностью законченное семейство называемое Rail to Rail. Разнообразие выпускаемых ОУ позволяет удовлетворить спрос различных разработок как индустриальной, так и бытовой техники в особенности портативного микро дизайна как-то карманных MD-плееров или мобильных телефонов.

Почему именно Rail to Rail?

Сегодня популярность Rail to Rail ОУ быстро раст╦т. Последнее обусловлено требованиями промышленности, вызванными е╦ движением в сторону низковольтных областей. Этот рынок полностью контролируется разработками портативных устройств питающихся от миниатюрных батарей или аккумуляторов. Причиной работы на низких напряжениях является вс╦ большее увеличение скоростей обработки сигналов и как результат, необходимость снижение потребляемой мощности. (Вспомните, что увеличение скорости передачи цифровых данных требует большего энергопотребления).

Так как во многих областях применения ОУ имеется тенденция снижения напряжения питания ( 3V и ниже), стандартные операционные усилители уже не могут более выдавать широкий размах выходного сигнала без искажения его динамических характеристик.

На рис. 1 представлены графики поясняющие разницу между разными видами операционных усилителей.

Как выбрать Rail to Rail ОУ.

Несколько примеров применения Rail to Rail.

Видео усилители: TSH70/1/2/3/4/5

Семейство также включает в себя версию TSH71/3/5 c наличием функции Standby. В режиме Standby выход прибора переключается в высокий импеданс, что с одной стороны позволяет снизить потери тока на 75-ти Омной нагрузке и что более важно, эта функия позволяет соединять параллельно выходы нескольких подобных источников видеосигнала. Последнее позволяет неограниченно комбинировать приборы друг с другом осуществлять их взаимное матрицирование.

Важным для высокопроизводительных разработок является высокая линейность прибора (дифференциальные усиление/фаза) и отношение сигнал / шум.

Малое число гармоник и интермодуляционных искажений равно как и малая групповая задержка делает прибор удачным для большого числа устройств с широкой полосой частот.

Обработка видеосигнала, привязка уровня, усиление, эквалайзинг, кабельное буферирование.

«Долг» перед 3 V системами: TS921/2/4/5

TS92x одинарный, сдвоенный и счетвер╦нный ОУ изготавливается по продвинутой биполярной технологии. Этот прибор разработан так чтобы гарантировать особую линейность и низкое входное напряжение смещения равно как и обеспечение 80mA выходной ток при 2.7V.

В дополнении, TS925 имеет режим Standby и встроенную фантомную землю (Vcc/2) для простого и компактного дизайна.

Низкая шумность, малый THD, и высокий выходной ток делают семейство TS92x абсолютным кандидатом для аудио разработок. TS92x может напрямую работать на 32 омный наушник головного телефона, даже при низком напряжении питания батареи.

Разработанный вначале в основном для применения в мобильной телефонии, прибор становится вс╦ более популярным в мире портативных аудио устройств.

Вс╦ более быстрый рост отечественного производства требует конкурентоспособных изделий с малой ценой, короткими сроками поставки и миниатюрных. ОУ STMicroelectronics как раз обладают всеми этими достоинствами. Задача конструктора правильно выбрать необходимый тип операционного усилителя. Задача дистрибьюторов ST поставить товар в срок. А сроки поставки по основным ОУ STMicroelectronics составляет 6 недель.

Источник

Операционный усилитель. Руководство по применению. Глава 1-10

Операционный усилитель. Что нужно знать о входном токе смещения? Почему в схемах с операционным усилителем возникают колебания? Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…? Ответы на эти и многие другие вопросы содержатся в цикле статей руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом (Bruce Trump), проработавшим более 40 лет инженером-разработчиком аналоговой техники, который начинал работать в компании Burr-Brown. После приобретения в 2001 году компании Burr-Brown компанией Texas Instruments Брюс Трамп продолжил работу в обновленной компании.

Материал получен с сайта АО «КОМПЭЛ» — compel.ru.

Все руководство разбито на главы. Здесь будут описаны краткое описание каждой главы. Полные версии опубликованы на сайте compel.ru.

Оригинал на английском языке в формате pdf

A compendium of blog posts on op amp design topics by Bruce Trump (17,1 MiB, 628 hits)

ГЛАВА 1 – Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

ГЛАВА 2 – Что нужно знать о входах rail-to-rail

Rail-to-rail ОУ чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. Вместе с тем, необходимо понимать, чем приходится расплачиваться за возможность их использования. На рисунке 4 показан входной каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-канальных транзисторов. P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из нижней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).

N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из верхней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рисунке 4 не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Большинство подобных двухкаскадных ОУ производства компании Texas Instruments (TI) разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам.

ГЛАВА 3 – Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания

Какое максимально близкое к нулю выходное напряжение могут обеспечить усилители с выходами rail-to-rail? В данном случае я говорю о КМОП-усилителях (CMOS op amp), которые часто используют в низковольтных схемах, когда требуется добиться максимального размаха выходного напряжения. Компания Texas Instruments обычно приводит характеристики для таких устройств в виде, показанном в таблице 1.

Таблица 1. Выходные характеристики усилителей типа Выходные характеристики усилителей типа rail-to-rail

ГЛАВА 4 – Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья

Всякий, изучавший электронику, знаком с понятием напряжения смещения. Напряжение смещения операционного усилителя равно выходному напряжению в схеме с единичным усилением G = 1 (рисунок 9а). При выполнении моделирования для учета влияния напряжения смещения может быть использован дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный ко входу усилителя. В схеме с единичным усилением G = 1 это смещение передается напрямую на выход. В схеме с высоким коэффициентом усиления на рисунке 9б выходное напряжение составляет 1000 Vos. Так ли это? Почти, но не совсем. Понимание этого «не совсем» поможет разобраться с частыми ошибками в схемах с ОУ.

ГЛАВА 5 – SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения

Не всегда очевидно, как напряжение смещения будет влиять на поведение схемы. Смещение по постоянному току легко симулировать с помощью специальных программ SPICE-моделирования, но макромодели операционных усилителей используют одно конкретное значение напряжения смещения. Чего же следует ждать при изменении этого параметра от устройства к устройству? В данном случае хорошим примером служит улучшенная схема источника тока (рисунок 11). В ней цепи обратной связи подключены одновременно к обоим входам, поэтому не сразу можно понять, как входное напряжение смещения (VOS) операционного усилителя будет влиять на величину выходной ошибки. OPA548 – мощный операционный усилитель с максимальным выходным током 5 А и напряжением питания до 60 В. Он часто используется в схемах источников тока. Рассмотрим, как максимальное напряжение смещения 10 мВ влияет на выходной ток схемы.

ГЛАВА 6 – Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения

У новейших операционных усилителей выводы регулировки смещения отсутствуют, хотят раньше они были практически у всех ОУ. Это произошло по целому ряду причин, таких как появление более совершенных усилителей с меньшим смещением, разработка систем автокалибровки, стремление снизить затраты на сбоку и подстройку ОУ, миниатюризация корпусов для поверхностного монтажа. Все это привело к исчезновению выводов подстройки. Стоит отметить, что многие популярные ОУ до сих пор снабжены выводами коррекции напряжения смещения, однако разработчики начали забывать об особенностях их использования.

Самое простое правило: если вы не используете выводы коррекции напряжения смещения, то оставьте их неподключенными. Не подключайте их к земле.

ГЛАВА 7 – Входной импеданс против входного тока смещения

Когда я помогаю выбирать операционные и инструментальные усилители, то часто слышу фразу: «Мне требуется по-настоящему высокий входной импеданс».

На самом деле входное сопротивление редко доставляет настоящие проблемы. (Входная емкость, реактивная часть входного импеданса – другое дело). Вместо этого чаще всего требуется малый входной ток смещения (input bias current, I_B). Да, эти параметры связаны между собой, но есть важные отличия. Давайте с ними разберемся.

Самая простая модель входа может быть представлена в виде схемы с параллельным включением источника тока (входной ток смещения) и входного резистора (рисунок 15). Наличие резистора приводит к тому, что ток меняется при изменении напряжения. Входной ток смещения – это входной ток, измеренный при конкретном входном напряжении, обычно – при напряжении средней точки.

ГЛАВА 8 – Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей

ОУ с КМОП- и JFET-входами часто выбирают из-за их малого входного тока. Однако кроме строки в таблице параметров существуют дополнительные тонкости, о которых следует знать.

Затвор КМОП-транзистора (рабочий вход операционного усилителя) имеет чрезвычайно малый входной ток. Однако эти чувствительные входы должны быть защищены от электростатического разряда (ESD) и электрических перенапряжений (EOS) с помощью дополнительных схем, которые являются основным источником входного тока смещения. Эти схемы используют встроенные ограничительные диоды, подключенные к напряжению питания. В качестве примера на рисунке 17a представлена схема входного каскада OPA320. Диоды имеют небольшой ток утечки – порядка нескольких пикоампер. При входном напряжении вблизи средней точки их токи утечки довольно хорошо согласованы, а разница между ними не превышает 1 пА, что и определяет величину входного тока смещения усилителя.

ГЛАВА 9 – Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку

В предыдущей статье я рассмотрел причины возникновения входного тока смещения в усилителях с КМОП- и JFET-входами, и обнаружил, что ими являются токи утечек обратно смещенных p-n-переходов. В заключении я предупредил, что эти утечки значительно увеличиваются с ростом температуры.

Ток утечки обратно смещенного p-n-перехода имеет сильную положительную температурную зависимость. Он практически удваивается при увеличении температуры примерно на каждые 10°C. Эта экспоненциальная зависимость ускоренно нарастает, как показано на нормализованном графике на рисунке 20. При 125°C величина утечки в 1000 раз больше, чем при комнатной температуре.

ГЛАВА 10 – Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?

Используете ли вы дополнительный резистор для выравнивания сопротивлений на входах ОУ в вашей схеме? Рассмотрите схему, представленную на рисунке 22. Многим из нас советовали добавлять резистор Rb, выбирая его значение равным сопротивлению параллельного включения R1 и R2. Давайте проанализируем назначение этого резистора и рассмотрим, когда уместно его использование, а когда – нет.

[contact-form-7 title=”Контактная форма 1″]

Источник