Компоненты Maxim для сигнальных цепей


PDF версия

В статье приведен обзор компонентов для сигнальных цепей компании Maxim Integrated Product, которые по совокупности рабочих характеристик идеальны для использования в измерительной аппаратуре, системах сбора данных и устройствах автоматики промышленного назначения.

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
Операционные усилители

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.

Таблица 1. Классификация ОУ Maxim и области их применения

Классификация ОУ Maxim

Области применения

ОУ общего назначения

Недорогие, непрецизионные каскады обработки аналоговых сигналов и компараторы напряжения

Малошумящие ОУ (с уровнем шума менее 15 нВ√/ГЦ);

Прецизионные измерительные каскады и аналоговые интерфейсы

С малым входным током смещения (менее 150 пА)

С малым напряжением смещения (менее 200 мкВ)

Быстродействующие (>100 МГц)

Аналоговые интерфейсы высокоскоростного телекоммуникационного оборудования, диагностическое оборудование, контрольно-измерительные приборы, тестовое оборудование, высокоскоростной сбор данных

Маломощные (с потребляемым током менее 20 мкА)

Электроника с батарейным питанием и прочая техника, к которой предъявляются жесткие требования по энерго эффективности

С входом включения/отключения

Относящиеся к типу rail-to-rail (означает, что напряжение на входе и/или выходе может изменяться в пределах уровней питания)

Низковольтные аналого-цифровые системы с однополярным питанием, в т.ч. батарейным

Одиночные, сдвоенные, строенные или счетверенные ОУ

Оптимизация занимаемой на печатной плате площади и себестоимости конечного решения

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.

Таблица 2. Операционные усилители Maxim на повышенные напряжения питания

Наименование

Кол-во ОУ в корпусе

Напряжение питания, В

Потребляемый ток каждого ОУ, мкА

Полоса пропускания, МГц

Напряжение смещения VOS, мкВ

Дрейф VOS, мкВ/°С

Входной ток смещения, нА

Шум, нВ/Гц

Темп. диапазон, °С

Корпус

MAX9943/44

1/2

6…38

550

2,4

<100

0,4

-40… 125

6-TDFN
8-цМАХ
8-TDFN/SO

MAX9945

1

4,75…38

400

3

<5000

2

0,05

15

6-TDFN
8-цМАХ

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 VEE до VCC – 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.

Таблица 3. Инструментальные усилители Maxim

Наименование

Напря-
жение питания, В

Rail-to-rail

Входной диапазон синфазных напряжений, В

Потребля-
емый ток каждого ОУ

Напряже-
ние смещения VOS, мкВ

Разброс усиления, %

Полоса пропу-
скания, кГц

Темп, диапазон, °С

Корпус

MAX4208/09

2,85…5,5

Выход

(Vss-0,1)…(VDD-1,3)

750

<20

±0,25

750

-40…125

8-цМАХ

MAX4460/61/62

2,85…5,25

(Vss-0,1)…(VDD-1,7)

680

<425

±0,35

2500

-40…85

6-TDFN
6-SOT23
8-SO

MAX4194-97

2,7…7,5

(VEE-0,2)…(Vcc-1,1)

93

<450

±0,01

250

8-SO

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
Преобразователи данных (АЦП, ЦАП)

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.

Таблица 4. Сигма-дельта АЦП Maxim

Наименование

Разрешающая способность, бит

Количество входных каналов

Частота дискретизации, Гц

ИОН

Входной диапазон

Напряжение питания, В

ДНЛ, м.з.р., не более

ИНЛ, ±%,

не более

Наименьш. корпус

MAX110/11

14

2

50

Внешн.

±3(1,5, ±1,5)

-5 (MAX110), 5

2

0,03/0,05

20-SSOP

MAX1415/16

16

500

O…VREF(±VREF/2)

3/5

1

0,03

16-TSSOP

MX7705

5

MAX1401/03

18

5

4800

3

0,0015

28-SSOP

MAX1400/02

5

MAX11040

24

4

64000

Внешн./внутр.

±2,2

3,3

0,1

0,003

38-TSSOP

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.

Цифровые потенциометры

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).

Прецизионные ИОН

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.

Выводы

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] .

Литература
1. Signal Chain//Selector Guide, 1st Edition, Maxim Integrated Poducts, July 2008 — 24 p.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *