Компоненты Maxim для сигнальных цепей

На протяжении нескольких лет Maxim Integrated Products (далее Maxim) — новатор в области аналоговой микроэлектроники — уверенно держится в десятке лучших производителей аналоговых компонентов. Компания была основана в начале 1980-х гг. группой инженеров и экспертов при участии таких легендарных личностей как Джек Гиффорд (Jack Gifford) и Дейв Фулагар (Dave Fullagar), стоявших у истоков создания первых операционных усилителей (ОУ).
Спектр выпускаемых компонентов Maxim для сигнальных цепей представлен на рисунке 1.

Рис 1. Компоненты Maxim для сигнальных цепей

Широчайший ассортимент ОУ и инструментальных усилителей (ИУ) компании Maxim насчитывает около 170 наименований. Возможности этого ассортимента по удовлетворению разнообразных прикладных требований демонстрирует таблица 1, где представлена классификация ОУ и области их применения. Помимо многоканальных ОУ в качестве инструментов, позволяющих снизить себестоимость и уменьшить размеры конечных решений, пользователю доступны ОУ в ультраминиатюрных SMT-корпусах, в т.ч. UCSP (типоразмеры 1×1 мм, 1×1,5 мм, 1,5×1,5 мм, 1,5×2 мм), µDFN и SC70 (оба 2×2 мм) и ИУ (интег­рируют не только прецизионные ОУ но и высокоточные согласованные резисторы). Наконец, пользователь может выбрать ОУ для работы в стандартном промышленном температурном диапазоне –40…85°С, а также в расширенном диапазоне температур –40…125°С и даже в военном –55…125°С.

В промышленных применениях, например в интерфейсах типа «токовая петля», очень часто возникает потребность в ОУ на повышенные напряжения питания (до 40 В). Некоторые примеры таких ОУ представлены в таблице 2.

В частности, одиночный/сдвоенный ОУ MAX9943/44 (см. рис. 2) благодаря высокой нагрузочной способности идеален для применения в системах с питанием от токовой петли. В таких системах сдвоенный MAX9944 может служить основой для построения программируемого источника тока (см. рис. 2б). Данный ОУ имеет отличные рабочие характеристики, доступен в миниатюрных корпусах, оснащен защитой входов от дифференциального перенапряжения и способен работать с синфазными напряжениями на входах от V_EE до V_CC – 1,8 В, что очень важно для рассматриваемого применения, т.к. ОУ подключается непосредственно к длинной линии связи.

а)                                                                       б)

Рис. 2. Расположение выводов (а) и пример применения (б) ОУ MAX9943/44

При разработке высокоточных измерительных каскадов может оказаться выгодным использование инструментальных усилителей. Данные приборы выполнены на основе прецизионных ОУ по специальной схемотехнике или даже архитектуре, которая обеспечивает простоту и гибкость реализации разнообразных высокоточных усилительных каскадов. Некоторые ИУ дополнительно содержат прецизионные резисторы, что способствует удешевлению и миниатюризации конечных решений. ИУ Maxim отвечают всем требованиям промышленных применений и имеют отличные рабочие характеристики. Сведения по некоторым современным ИУ Maxim приведены в таблице 3.

В качестве примера рассмотрим более подробно ИУ MAX4208/MAX4209. Они выполнены по уникальной запатентованной Maxim архитектуре на основе двух усилителей с токовым выходом и с косвенной обратной связью по току (см. рис. 3а). Данная архитектура способствует полному использованию динамического диапазона входных дифференциальных сигналов, даже когда уровни синфазных напряжений близки к уровню общей цепи или ниже него. Эта особенность очень полезна в схемах с однополярным питанием, где в диапазон изменения преобразуемого сигнала входит уровень общей цепи. Обычные инструментальные усилители, выполненные на основе трех ОУ, не предоставляют такой возможности. MAX4208/MAX4209 также поддерживают запатентованный способ компенсации смещения. В результате их напряжения смещения не превышают 20 мкВ при 25°C, 30 мкВ при 85°C и 40 мкВ при 125°C.
MAX4209 отличается от MAX4208 интеграцией задающих коэффициент усиления (КУ) резисторов. Этот ИУ выпускается в трех исполнениях: с коэффициентом усиления 10 (MAX4209T), 100 (MAX4209H) и 1000 (MAX4209K), при этом разброс коэффициента усиления не превышает ±0,25% при 25°C, ±0,3% при 85°C и ±0,35% при 125°C. Преимущества встроенной установки усиления демонстрирует схема контроля тока, представленная на рисунке 3в. Преимущества прецизионной работы с большим усилением MAX4209H состоят в простоте схемы контроля тока с очень малыми потерями мощности на токоизмерительном резисторе. Для более гибкого применения рассматриваемых ИУ в них дополнительно интегрированы буферные усилители. Они предназначены для буферизации сформированного делителем напряжения опорного уровня VDD/2, который необходим в схемах с однополярным питанием для восстановления симметричности динамического диапазона. Пример такой схемы показан на рисунке 3г. На нем приведена схема подключения мостового резистивного датчика к однополярному АЦП. Напряжение на выходе ИУ изменяется относительно заданного делителем R3, R4 опорного уровня VDD/2 в большую сторону, если дифференциальное напряжение на входах ИУ положительное, и в меньшую сторону, если дифференциальное напряжение отрицательное.

Рис. 3. Функциональная схема (а), расположение выводов (б) и примеры применения (в, г) инструментальных усилителей MAX4208/09

Компания Maxim выпускает обширный ассортимент преобразователей данных, который насчитывает свыше 400 АЦП и около 250 ЦАП. По данным исследовательской компании Databeans (www.databeans.net) в 2008 г. компания Maxim заняла третье место по объемам продаж микросхем преобразователей данных, вслед за Analog Devices и Texas Instruments.
Подавляющую часть ассортимента АЦП составляют прецизионные приборы на частоту дискретизации менее 5 МГц, большинство из которых полностью соответствует условиям применения в промышленной электронике. Для построения прецизионных АЦП компания Maxim использует архитектуру последовательных приближений (8, 10, 12, 14, 16 бит) и сигма-дельта (до 24 бит). Кроме выбора по разрешающей способности и быстродействию преобразования пользователь может делать выбор АЦП по ряду других важных признаков, таких как:
– симметричный/дифференциальный входной каскад, поддержка одно-, двуполярного питания, возможность программной конфигурации входного диапазона;
– количество каналов: 1, 2, 4, 8, 12 или 16;
– интерфейсы считывания данных: последовательные (I²C, SPI, QSPI, MICROWIRE-совместимые) или параллельные;
– со встроенным или внешним источником опорного напряжения (ИОН) и т.д.
Многие промышленные применения не требуют высокого быстродействия дискретизации. В этом случае более важную роль играют высокая точность, долговременная стабильность, помехозащищенность и надежность. Таким требованиям отвечают сигма-дельта АЦП. Характеристики некоторых таких преобразователей Maxim представлены в таблице 4.

Среди них примечательна новинка этого года — MAX11040, который помимо того, что имеет внушительные характеристики прецизионности, поддерживает одновременные преобразования в 4 каналах при использовании одной микросхемы и в 32 каналах — при каскадировании 8 микросхем. Функция одновременного преобразования очень важна для таких промышленных применений как электронные блоки защит и мониторинга электротехнического и энергетического оборудования, системы сбора данных, многофазные системы электропитания, контрольно-измерительное оборудование и т.д.
Возможности одновременного преобразования достигаются у MAX11040 за счет интеграции четырех независимых каналов сигма-дельта АЦП (см. рис. 4а). Кроме того, данный АЦП, как собственно и вся новая продукция Maxim, отвечает всем современным тенденциям микроэлектроники, в т.ч. поддерживает низковольтное питание (3,3±0,3 В), поддерживает экономичный режим работы для снижения потребляемого тока до уровня не более 5 мкА и размещен в миниатюрном 38-выводном корпусе TSSOP (см. рис. 4б). Функцию одновременного преобразования поддерживают также некоторые АЦП Maxim, выполненные по архитектуре последовательных приближений, в т.ч. новые 16-разрядные 4/6/8-канальные АЦП MAX11044/45/46.

а)                                                                         б)

Рис. 4. Функциональная схема (а) и расположение выводов АЦП MAX11040 (б)

Среди других новинок в группе АЦП можно выделить:
– 16-разрядные АЦП MAX1300/01 и MAX1302/03, которые поддерживают частоту дискретизации до 115 кГц, имеют 8/4 несимметричных или 4/2 дифференциальных входных канала, а также предусматривают программирование входного диапазона в каждом из каналов;
– однокристальные системы сбора данных MAX1358/MAX1359/MAX1360 (16 бит, программируемый усилитель (PGA), встроенный ИОН 1,25/2,048/2,5 В), MAX1330 (12 бит, PGA, ЦАП, порты ввода-вывода (ПВВ), датчик температуры) и MAX1331 (12/16 бит, PGA, ПВВ, датчик температуры).
В группе ЦАП бóльшую часть также составляют прецизионные приборы (интегральная нелинейность менее 1 м.з.р.) с разрешающей способностью 6…16 бит и с временем установления выходного сигнала менее 1 мкс. Количество выходных каналов варьируется от 1 до 32, а для ввода данных используются параллельные или последовательные (SPI, I²C) интерфейсы.
Типичными областями применения ЦАП в промышленной электронике являются каскады цифровой компенсации и калибровки, системы цифрового регулирования, каскады регулировки смещения и усиления, программируемые усилители, генераторы сигналов произвольной формы, программируемые источники тока и напряжения, программируемые источники питания, каскады аналогового вывода контроллеров автоматизации и т.д. Для решения последней задачи Maxim предлагает специализированную ИС MAX5661, которая в дополнение к 16-разрядному ЦАП интегрирует все компоненты, необходимые для реализации программируемого источника тока (0…20 мА) и напряжения (±10 В) с возможностями подключения к длинной линии связи (см. рис. 5).

Рис. 5. Функциональная схема и укрупненная схема включения ЦАП MAX5661

Вся новая продукция Maxim содержит ряд инструментов для оптимизации себестоимости конечного решения, имея в виду высокую степень интеграции и размещение в ультракомпактных корпусах. Однако в ассортименте Maxim есть семейства ЦАП, которые предлагают еще одну такую возможность для применений, где предусматривается выпуск различных типоисполнений продукции с разным количеством выходных каналов и их разрешающей способностью. В таких применениях выгодно использовать семейства масштабируемых ЦАП. Примером такого семейства может служить MAX5134-5137. Данные ЦАП различаются разрешающей способностью (12 или 16 бит) и количеством выходных каналов (2 или 4), но при этом использует совместимое расположение и назначение выводов в корпусе одного типа. Таким образом, в рамках одного и того же аппаратного решения путем простой установки требуемого ЦАП можно изменять конфигурацию устройства.

Ассортимент цифровых потенциометров Maxim насчитывает более 120 прецизионных микросхем, оптимизированных под решение задач программирования параметров аналоговых схем, в т.ч. выходного напряжения ИОН или стабилизаторов напряжения, коэффициента передачи усилительных каскадов, настройки фильтров и т.д. Они являются более надежной и совершенной альтернативой обычным механическим потенциометрам и различаются по ряду признаков: количество ступеней регулировки (32—1024); тип передаточной характеристики (линейная или логарифмическая); одно- или многоканальные (2, 3, 4, 6 каналов); с энергонезависимым хранением настроек и без; с однократным или многократным программированием энергонезависимой памяти.
Современные цифровые потенциометры имеют ряд особенностей, которые позволяют повысить гибкость применения, улучшить эксплуатационные характеристики, а также способствуют миниатюризации и удешевлению конечного изделия. Например, 7-разрядный потенциометр DS3501 имеет способность к энергонезависимому запоминанию положения движка, а кроме того интегрирует датчик температуры, АЦП и программируемую энергонезависимую память в роли таблицы соответствия. Данные элементы существенно облегчают реализацию функции температурной компенсации потенциометра, делая ее выполнение полностью автономным. Важной особенностью этого потенциометра, с точки зрения использования в промышленных применениях, является возможность работы выходного каскада при повышенном уровне напряжения (до 15 В) по отношению к напряжению питания самого потенциометра.
Для управления потенциометрами Maxim используются три типа интерфейсов: SPI, I²C и интерфейс по типу реверсивного счетчика (счетный вход и вход задания направления счета). Для повышения гибкости применения у некоторых микросхем предусмотрена возможность выбора интерфейса; например, при использовании потенциометров из семейства MAX5481-MAX5484 можно выбирать между интерфейсом SPI или интерфейсом по типу реверсивного счетчика. Эти потенциометры также примечательны высокой разрешающей способностью (10 бит или 1024 положения движка), энергонезависимым хранением настроек и отличной температурной стабильностью (5 ppm/°C для коэффициента передачи и 30 ppm/°С для полного сопротивления потенциометра).
Кроме цифровых потенциометров, компания Maxim выпускает также программируемые резистивные делители напряжения, которые отличаются очень малым допуском на сопротивление (0,025—0,1% против 20% — лучшего для цифровых потенциометров значения).

Источники опорного напряжения играют очень важную роль в любой измерительной системе. Именно от их характеристик напрямую зависят ограничения по точности измерения входных сигналов и формирования выходных. Кроме того, именно от ИОН зависит диапазон измерения и изменения сигналов в аналого-цифровой системе. Компания Maxim — известный новатор в области разработки высококачественных ИОН. К числу важных достижений компании в этой сфере относится разработка уникального для своего времени семейства ИОН типа «бэндгап» MAX676 со встроенным датчиком температуры, ПЗУ температурной компенсации и подключением выхода по схеме Кельвина (результирующий температурный коэффициент 0,6 ppm/°C). Важное значение имеет и разработка ИОН MAX6126, выполненного по принципиально новой архитектуре «супербэндгап» и имеющего уникальные характеристики (начальный разброс ±0,02%, температурный коэффициент 3 ppm/°C и размах напряжения шума 1,5 мкВ).
В настоящее время ассортимент ИОН Maxim насчитывает свыше 160 микросхем, разделенных на четыре группы:
– параллельные (или шунтовые, двухвыводные) на выходные напряжения 1,25; 2,048; 2,5; 3,0; 3,3; 4,096 и 5,0 В;
– последовательные (трехвыводные) на выходные напряжения 1,25; 1,6; 1,8; 2,048; 2,5; 3,0; 3,3; 4,096; 4,5; 5,0 и 10,0 В;
– регулируемые (MAX6037, MAX6160);
– программируемые (DS4303, DS4305).
Среди высокоточных ИОН Maxim, способных обеспечить высокую разрешающую способность аналого-цифрового преобразования, есть сравнительно недорогие приборы. Примером тому может служить бэндгап ИОН MAX6033, который в исполнении с начальным разбросом 0,1% и температурным коэффициентом 20 ppm/°C стоит около 1,5 долл. США. Примечательно, что при столь высокой точности собственное потребление ИОН составляет всего лишь 40 мкА. Благодаря простоте схемы включения, поддержке температурного диапазона –40…125°C, размещению в компактном 6-выводном корпусе SOT и малошумящей работе (уровень шума не более 16 мкВ в диапазоне частот 0,1…10 Гц), данный ИОН прекрасно подходит для использования в промышленных применениях для работы совместно с АЦП и ЦАП высокой разрешающей способности (до 16 бит, в зависимости от напряжения ИОН, ширины температурного диапазона и степени прецизионности выбранного исполнения ИОН). MAX6033 также доступен в исполнении с начальным разбросом 0,2% и температурным коэффициентом 10 ppm/°C, а также в высокоточном исполнении с разбросом 0,04% и температурным коэффициентом 7 ppm/°С. Доступные выходные напряжения: 2,5; 3,0; 4,096;
5,0 В.

Компания Maxim выпускает обширный ассортимент компонентов для сигнальных цепей, в т.ч. микросхемы операционных и инструментальных усилителей, АЦП, ЦАП, цифровых потенциометров и источников опорного напряжения. Значительную их часть составляют прецизионные приборы, отвечающие промышленным условиям применения. Некоторые компоненты разработаны под конкретные промышленные применения, как, например, ОУ MAX9944 и ЦАП MAX5661, предназначенные для построения аналоговых интерфейсов устройств промышленной автоматики. В новой продукции Maxim помимо улучшения рабочих характеристик учтены и постоянно растущие требования к уменьшению занимаемого пространства (за счет применения сверхминиатюрных корпусов) и снижению электропотребления. Неизменной чертой продукции Maxim являются простота и гибкость применения микросхем. Более детальную информацию о продукции Maxim для сигнальных цепей можно получить на сайте компании (www.maxim-ic.com) и, в частности, в доступном для скачивания руководстве [1] .