У разработчиков электронной аппаратуры компания Maxim Integrated Products ассоциируется в т.ч. как один из ведущих производителей аналоговых интегральных схем. В статье предлагается обзор микро- и маломощных операционных усилителей (ОУ), выпускаемых компанией Maxim, а также некоторые соображения, позволяющие сделать оптимальный для конкретного приложения выбор из широкой номенклатуры изделий компании.
В настоящее время номенклатура ОУ более чем широка. Каждый из ведущих производителей выпускает более сотни (а иногда и несколько сотен) типов операционных усилителей. Так, линейка ОУ компании Maxim Integrated Products содержит около 150 типов микросхем (не учитывая исполнения в разных корпусах). На фоне этого изобилия разработчику сложно сделать оптимальный выбор микросхемы для конкретного приложения. Решение проблемы выбора предполагает определить несколько ключевых параметров, критичных для разрабатываемого изделия и, тем самым, ограничить список возможных вариантов до разумных пределов.
Основные параметры операционных усилителей
Параметры, которые определяют качество ОУ, принято разделять на три группы: эксплуатационные, точностные и динамические.
К основным эксплуатационным параметрам относят:
– минимальное и максимальное напряжение питания;
– потребляемый ток (для сдвоенных и счетверенных усилителей дается на один канал);
– наличие свойств Rail-to-Rail по входу и выходу;
– наличие входа Shutdown (отключение от нагрузки).
К основным точностным параметрам относят:
– напряжение смещения нуля VOS;
– коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС);
– коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (КППНП), или другое название — коэффициент ослабления влияния нестабильности источников питания (КОНИП);
– входной ток IBIAS;
– спектральную плотность шума по напряжению en.
К основным динамическим параметрам относят:
– частоту единичного усиления (GBW);
– скорость нарастания выходного напряжения r.
Ограниченный объем статьи не позволяет пояснить физический смысл данных параметров. Однако они достаточно подробно разобраны во всех монографиях, посвященных принципам работы операционных усилителей, например в [1].
Классификация операционных усилителей по назначению
В теории ОУ [1] используется термин «идеальный операционный усилитель». В реальности приходится учитывать: высокий, но все-таки конечный коэффициент усиления, ненулевой входной ток, ненулевое выходное сопротивление, ограниченную полосу пропускания и т.д.
Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, их параметры «приближаются к идеальным». Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно (не говоря уже о нецелесообразности подобных мероприятий из-за стоимости полученного решения). Для того чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются доминирующими, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, т.к. в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Компания Maxim использует следующую классификацию ОУ по назначению.
– Операционные усилители со сверхмалым энергопотреблением (микромощные). К этой категории компания Maxim относит ОУ, типовой потребляемый ток которых не превышает 20 мкА.
– Операционные усилители с малым энергопотреблением (маломощные). К этой категории большинство производителей относит ОУ с максимальным потребляемым током не более 500 мкА.
– Низковольтные операционные усилители — ОУ, минимальное напряжение питания которых не превышает 1,8 В. Очень часто микро- и маломощные ОУ попадают в категорию низковольтных.
– Малошумящие операционные усилители. Усилители, спектральная плотность шума которых менее 15 нВ/
.
– Прецизионные операционные усилители. К данной категории относят ОУ, напряжение смещения нуля в которых не превышает 200 мкВ.
– Высокоскоростные операционные усилители. Это усилители, у которых скорость нарастания выходного сигнала превышает 10 В/мкс, а частота единичного усиления — более 5 МГц.
– Высоковольтные операционные усилители. Операционные усилители с максимальным напряжением питания более 20 В. Как правило, минимальное напряжение питания у этой группы также выше обычного.
– Операционные усилители общего назначения. Речь идет об изделиях, при проектировании которых ни один из параметров не считался доминирующим. С другой стороны, предполагалось, что ни один из параметров не будет завален «ниже нижнего». В силу этого изделие может быть востребовано в самых разнообразных приложениях, в тех фрагментах схемы, в которых к параметрам усилителя не предъявляются какие-то повышенные требования.
Очевидно, что одно и то же изделие зачастую может быть отнесено к двум и более группам одновременно, если оно удовлетворяет требованиям по ключевому критерию.
В рамках данной статьи будут рассмотрены линейки микро- и маломощных операционных усилителей, предлагаемые компанией Maxim.
Операционные усилители со сверхмалым энергопотреблением
Линейка ОУ со сверхмалым энергопотреблением и их параметры приведены в таблице 1.
Таблица 1. Номенклатура и параметры микромощных ОУ компании Maxim
|
Изделие |
Усилителей в корпусе |
Одно питание |
Rail-To-Rail |
Напряжение питания, В |
Потребляемый ток, мкА |
Напряжение смещения нуля, мкВ |
Коэффициент ослабления синфазной составляющей, дБ |
Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания, дБ |
Входной ток, нА |
Частота единичного усиления, мГц |
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс |
Спектральная плотность шума, нВ/VГц |
Вход Shutdown |
Исполнение Automotive |
|||
|
Входы |
Выходы |
Мин. |
Макс. |
Тип. |
Макс. |
Макс. |
|||||||||||
|
ICL7631 |
3 |
V |
2 |
16 |
6 |
15 |
2000 |
80 |
80 |
0,05 |
0,044 |
0,016 |
100 |
||||
|
ICL7632 |
3 |
V |
2 |
16 |
6 |
15 |
2000 |
80 |
80 |
0,05 |
0,044 |
0,016 |
100 |
||||
|
ICL7641 |
4 |
2 |
16 |
6 |
15 |
2000 |
80 |
80 |
0,05 |
0,044 |
0,016 |
100 |
|||||
|
ICL7642 |
4 |
V |
2 |
16 |
6 |
15 |
2000 |
80 |
80 |
0,05 |
0,044 |
0,016 |
100 |
||||
|
MAX4036 |
1 |
V |
V |
1,4 |
3,6 |
0,8 |
1,2 |
2000 |
70 |
82 |
0,01 |
0,004 |
0,0004 |
500 |
V |
||
|
MAX4037 |
1 |
V |
V |
1,4 |
3,6 |
1,9 |
2,4 |
2000 |
70 |
84 |
0,01 |
0,004 |
0,0004 |
500 |
|||
|
MAX4038 |
2 |
V |
V |
1,4 |
3,6 |
0,8 |
1,2 |
2000 |
70 |
82 |
0,01 |
0,004 |
0,0004 |
500 |
V |
||
|
MAX4039 |
2 |
V |
V |
1,4 |
3,6 |
1,4 |
2 |
2000 |
70 |
84 |
0,01 |
0,004 |
0,0004 |
500 |
|||
|
MAX4040 |
1 |
V |
V |
V |
2,4 |
5,5 |
12 |
20 |
1500 |
94 |
85 |
10 |
0,09 |
0,04 |
70 |
||
|
MAX4041 |
1 |
V |
V |
V |
2,4 |
5,5 |
12 |
20 |
1500 |
94 |
85 |
10 |
0,09 |
0,04 |
70 |
V |
|
|
MAX4042 |
2 |
V |
V |
V |
2,4 |
5,5 |
12 |
20 |
1500 |
94 |
85 |
10 |
0,09 |
0,04 |
70 |
||
|
MAX4043 |
2 |
V |
V |
V |
2,4 |
5,5 |
12 |
20 |
1500 |
94 |
85 |
10 |
0,09 |
0,04 |
70 |
V |
|
|
MAX4044 |
4 |
V |
V |
V |
2,4 |
5,5 |
12 |
20 |
1500 |
94 |
85 |
10 |
0,09 |
0,04 |
70 |
||
|
MAX406 |
1 |
V |
2,5 |
10 |
1 |
1,2 |
500 |
80 |
86 |
0,01 |
0,004 |
0,005 |
150 |
||||
|
MAX407 |
2 |
V |
2,5 |
10 |
1 |
1,2 |
3000 |
80 |
74 |
0,01 |
0,008 |
0,005 |
150 |
||||
|
MAX409 |
1 |
V |
2,5 |
10 |
1 |
1,2 |
500 |
80 |
86 |
0,01 |
0,15 |
0,08 |
150 |
||||
|
MAX417 |
2 |
V |
2,5 |
10 |
1 |
1,2 |
3000 |
80 |
74 |
0,01 |
0,15 |
0,08 |
150 |
||||
|
MAX418 |
4 |
V |
2,5 |
10 |
1 |
1,2 |
4000 |
80 |
74 |
0,01 |
0,008 |
0,005 |
150 |
||||
|
MAX419 |
4 |
V |
2,5 |
10 |
1 |
1,2 |
4000 |
80 |
74 |
0,01 |
0,15 |
0,08 |
150 |
||||
|
MAX4240 |
1 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
14 |
18 |
1400 |
94 |
85 |
6 |
0,09 |
0,04 |
70 |
||
|
MAX4241 |
1 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
14 |
18 |
750 |
94 |
85 |
6 |
0,09 |
0,04 |
70 |
V |
|
|
MAX4242 |
2 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
14 |
18 |
880 |
94 |
85 |
6 |
0,09 |
0,04 |
70 |
||
|
MAX4243 |
2 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
14 |
18 |
880 |
94 |
85 |
6 |
0,09 |
0,04 |
70 |
V |
|
|
MAX4244 |
4 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
14 |
18 |
880 |
94 |
85 |
6 |
0,09 |
0,04 |
70 |
||
|
MAX4289 |
1 |
V |
V |
1 |
5,5 |
9 |
14 |
2000 |
85 |
75 |
15 |
0,017 |
|||||
|
MAX4464 |
1 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
0,75 |
1,2 |
7000 |
95 |
90 |
1,5 |
0,04 |
0,02 |
120 |
|||
|
MAX4470 |
1 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
0,75 |
1,2 |
7000 |
95 |
90 |
1,5 |
0,009 |
0,002 |
120 |
|||
|
MAX4471 |
2 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
0,75 |
1,2 |
7000 |
95 |
90 |
1,5 |
0,009 |
0,002 |
120 |
|||
|
MAX4472 |
4 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
0,75 |
1,2 |
7000 |
95 |
90 |
1,5 |
0,009 |
0,002 |
120 |
|||
|
MAX4474 |
2 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
0,75 |
1,2 |
7000 |
95 |
90 |
1,5 |
0,04 |
0,02 |
120 |
|||
|
MAX9910 |
1 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
4 |
5 |
1000 |
80 |
95 |
0,01 |
0,2 |
0,1 |
400 |
||
|
MAX9911 |
1 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
4 |
5 |
1000 |
80 |
95 |
0,01 |
0,2 |
0,1 |
400 |
V |
|
|
MAX9912 |
2 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
4 |
5 |
1000 |
80 |
95 |
0,01 |
0,2 |
0,1 |
400 |
||
|
MAX9913 |
2 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
4 |
5 |
1000 |
80 |
95 |
0,01 |
0,2 |
0,1 |
400 |
V |
|
|
MAX9914 |
1 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
20 |
25 |
1000 |
80 |
85 |
0,01 |
1 |
0,5 |
160 |
||
|
MAX9915 |
1 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
20 |
25 |
1000 |
80 |
85 |
0,01 |
1 |
0,5 |
160 |
V |
|
|
MAX9916 |
2 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
20 |
25 |
1000 |
80 |
85 |
0,01 |
1 |
0,5 |
160 |
||
|
MAX9917 |
2 |
V |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
20 |
25 |
1000 |
80 |
85 |
0,01 |
1 |
0,5 |
|||
В последнее время растет интерес к ОУ, которые, в отличие от традиционных двухполярных источников питания, используют однополярный источник, причем, все чаще низковольтный. Их распространение связано с распространением устройств с батарейным питанием, в которых используются как аналоговые, так и цифровые компоненты. Заметим, что значительная часть номенклатуры ОУ со сверхмалым энергопотреблением обеспечивает возможность работы от одного источника питания.
Экономичность при батарейном питании может оказаться ключевым критерием. В ряде приложений требуется непрерывная работа изделия без замены батареи или перезарядки в течение длительного времени. В связи с этим следует отметить микросхемы MAX4464/70/71/72/74 — операционные усилители с потребляемым током 0,75 мкА. Это значение на текущий момент является одним из лучших в отрасли. Кроме того, данные микросхемы обеспечивают достаточно высокие для своего класса значения КОСС и КППНП. Основной сферой применения предполагаются портативные приборы с батарейным питанием.
Близкие по энергопотреблению параметры (1 мкА и менее) обеспечивают усилители MAX4036/38 и MAX406/40. При этом указанные микросхемы выигрывают по таким параметрам как напряжение смещения нуля и входной ток, но уступают по коэффициентам КОСС и КППНП и динамическим характеристикам.
Хорошие динамические характеристики (опять же для своего класса) обеспечивают семейства MAX9910/11/12/13 и MAX9914/15/16/17. Кроме того, эти микросхемы имеют минимальную в данной категории цену и могут быть востребованы в экономичных приложениях.
Достаточно сбалансированные параметры семейства MAX406/07/09/17/18/19 позволяют считать их в рассматриваемом классе в качестве усилителей общего назначения.
Следует отметить также тенденцию к использованию миниатюрных корпусов интегральных схем. Так, рассмотренные одинарные (один в корпусе) усилители MAX4464/70, MAX9910/11 и MAX9914/15 выполнены в корпусах SC70 размером 2×2 мм, что также является достоинством для мобильных устройств с габаритными ограничениями.
Кроме того, необходимо отметить, что, по сравнению с другими ведущими производителями ОУ, компания Maxim в данном классе приборов выгодно отличается широкой номенклатурой предлагаемых изделий. На момент написания статьи Maxim предлагает 38 типов микросхем ОУ с током потребления менее 20 мкА. Компания Texas Instruments предлагает 34 модели, Analog Devices — 12, National Semiconductor — 10 и Intersil — 6.
Операционные усилители с малым энергопотреблением
Операционные усилители с малым энергопотреблением и их параметры приведены в таблице 2.
Таблица 2. Номенклатура и параметры маломощных ОУ компании Maxim
|
Изделие |
Усилителей в корпусе |
Rail-To-Rail |
Напряжение питания, В |
Потребляемый ток, мкА |
Напряжение смещения нуля, мкВ |
Коэффициент ослабления синфазной составляющей, дБ |
Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания, дБ |
Входной ток, нА |
Частота единичного усиления, мГц |
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс |
Спектральная плотность шума, нВ/VГц |
Вход Shutdown |
Исполнение Automotive |
|||
|
Входы |
Выходы |
Мин. |
Макс. |
Тип. |
Макс. |
Макс. |
||||||||||
|
MAX4076 |
1 |
V |
2,5 |
5,5 |
45 |
60 |
3500 |
95 |
95 |
0,2 |
0,23 |
0,09 |
110 |
— |
||
|
MAX4077 |
2 |
V |
2,5 |
5,5 |
45 |
60 |
3500 |
95 |
95 |
0,2 |
0,23 |
0,09 |
110 |
— |
||
|
MAX4078 |
4 |
V |
2,5 |
5,5 |
45 |
60 |
3500 |
95 |
95 |
0,2 |
0,23 |
0,09 |
110 |
— |
||
|
MAX4091 |
1 |
V |
V |
2,7 |
6 |
115 |
165 |
1400 |
90 |
100 |
180 |
0,5 |
0,2 |
12 |
V |
|
|
MAX4092 |
2 |
V |
V |
2,7 |
6 |
115 |
165 |
1400 |
90 |
100 |
180 |
0,5 |
0,2 |
12 |
V |
|
|
MAX4094 |
4 |
V |
V |
2,7 |
6 |
115 |
165 |
1400 |
90 |
100 |
180 |
0,5 |
0,2 |
12 |
V |
|
|
MAX4162 |
1 |
V |
V |
2,5 |
10 |
25 |
40 |
3000 |
100 |
110 |
0,1 |
0,2 |
0,115 |
80 |
— |
|
|
MAX4163 |
2 |
V |
V |
2,5 |
10 |
25 |
40 |
4000 |
100 |
110 |
0,1 |
0,2 |
0,115 |
80 |
— |
|
|
MAX4164 |
4 |
V |
V |
2,5 |
10 |
25 |
40 |
5000 |
100 |
110 |
0,1 |
0,2 |
0,115 |
80 |
— |
|
|
MAX4236 |
1 |
V |
2,4 |
5,5 |
350 |
440 |
50 |
103 |
120 |
0,5 |
1,7 |
0,3 |
14 |
V |
— |
|
|
MAX4236A |
1 |
V |
2,4 |
5,5 |
350 |
440 |
20 |
103 |
120 |
0,5 |
1,7 |
0,3 |
14 |
V |
— |
|
|
MAX4237 |
1 |
V |
2,4 |
5,5 |
350 |
440 |
50 |
103 |
120 |
0,5 |
7,5 |
1,3 |
14 |
V |
— |
|
|
MAX4237A |
1 |
V |
2,4 |
5,5 |
350 |
440 |
20 |
103 |
120 |
0,5 |
7,5 |
1,3 |
14 |
V |
— |
|
|
MAX4281 |
1 |
V |
2,5 |
5,5 |
300 |
500 |
2000 |
90 |
90 |
10 |
2 |
0,7 |
90 |
— |
||
|
MAX4282 |
2 |
V |
2,5 |
5,5 |
300 |
500 |
2000 |
90 |
90 |
10 |
2 |
0,7 |
90 |
— |
||
|
MAX4284 |
4 |
V |
2,5 |
5,5 |
300 |
500 |
2000 |
90 |
90 |
10 |
2 |
0,7 |
90 |
— |
||
|
MAX4291 |
1 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
100 |
225 |
2500 |
90 |
100 |
55 |
0,5 |
0,2 |
70 |
— |
|
|
MAX4292 |
2 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
100 |
225 |
2500 |
90 |
100 |
55 |
0,5 |
0,2 |
70 |
— |
|
|
MAX4294 |
4 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
100 |
225 |
2500 |
90 |
100 |
55 |
0,5 |
0,2 |
70 |
— |
|
|
MAX4330 |
1 |
V |
V |
2,4 |
6,5 |
245 |
325 |
700 |
87 |
88 |
65 |
3 |
1,5 |
28 |
— |
|
|
MAX4331 |
1 |
V |
V |
2,4 |
6,5 |
245 |
325 |
700 |
93 |
92 |
65 |
3 |
1,5 |
28 |
— |
|
|
MAX4332 |
2 |
V |
V |
2,4 |
6,5 |
245 |
325 |
1000 |
93 |
90 |
65 |
3 |
1,5 |
28 |
— |
|
|
MAX4333 |
2 |
V |
V |
2,4 |
6,5 |
245 |
325 |
1000 |
93 |
90 |
65 |
3 |
1,5 |
28 |
— |
|
|
MAX4334 |
4 |
V |
V |
2,4 |
6,5 |
245 |
325 |
1000 |
92 |
90 |
65 |
3 |
1,5 |
28 |
— |
|
|
MAX4480 |
1 |
V |
2,5 |
5,5 |
45 |
100 |
5500 |
86 |
92 |
0,1 |
0,14 |
0,08 |
100 |
V |
||
|
MAX4481 |
1 |
V |
2,5 |
5,5 |
45 |
100 |
5500 |
86 |
92 |
0,1 |
0,14 |
0,08 |
100 |
V |
V |
|
|
MAX4482 |
2 |
V |
2,5 |
5,5 |
45 |
100 |
5500 |
86 |
92 |
0,1 |
0,14 |
0,08 |
100 |
V |
||
|
MAX4483 |
4 |
V |
2,5 |
5,5 |
45 |
100 |
5500 |
86 |
92 |
0,1 |
0,14 |
0,08 |
100 |
V |
||
|
MAX492 |
2 |
V |
V |
2,7 |
6 |
150 |
170 |
500 |
90 |
110 |
60 |
0,5 |
0,2 |
25 |
— |
|
|
MAX494 |
4 |
V |
V |
2,7 |
6 |
150 |
170 |
500 |
90 |
110 |
60 |
0,5 |
0,2 |
25 |
— |
|
|
MAX9617 |
1 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
59 |
78 |
10 |
135 |
135 |
0,14 |
1,5 |
0,7 |
42 |
— |
|
|
MAX9618 |
2 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
59 |
78 |
10 |
135 |
135 |
0,14 |
1,5 |
0,7 |
42 |
— |
|
|
MAX9619 |
1 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
59 |
78 |
10 |
135 |
135 |
0,14 |
1,5 |
0,7 |
42 |
V |
— |
|
MAX9620 |
1 |
V |
V |
1,8 |
5,5 |
59 |
78 |
10 |
135 |
135 |
0,14 |
1,5 |
0,7 |
|||
Ряд производителей (например, National Semiconductor) относит к этой категории ОУ с потребляемым током до 1,5 мА. Возможно, этот критерий был обоснован 5—10 лет назад, но сегодня он явно устарел. Так, из 148 моделей ОУ, предлагаемых компанией Maxim, этому критерию соответствуют 123 изделия, т.е. более 80% от всей номенклатуры должны считаться маломощными. Критерию 20…500 мкА соответствуют 34 микросхемы, что представляется более разумным.
Естественно, что в рамках этого типа ОУ окажутся микросхемы, которые можно отнести и к другим разделам (например, к малошумящим или прецизионным ОУ).
Обратим внимание на усилители MAX4236/36A/37/37A. По своим параметрам их можно отнести также к малошумящим и прецизионным. Значения коэффициентов КОСС и КППНП также существенно выше средних. Динамические характеристики MAX4237/37A, конечно же, не дотягивают до характеристик высокоскоростных ОУ, но в своем типе являются одними из лучших. Все в совокупности делает эти микросхемы этого семейства лидером в классе маломощных усилителей.
Семейство MAX9617/18/19/20 — низковольтные прецизионные ОУ. По параметру «напряжение смещения нуля» в линейке Maxim они уступают только усилителям MAX4238/39 (2 мкВ), которые являются одними из лучших прецизионных микросхем в отрасли. Усилители MAX9617/18/19/20 по значению коэффициентов КОСС и КППНП также немного уступают только MAX4238/39. Из всего сказанного следует вывод, что микросхемы MAX9617/18/19/20 — идеальное решение для тех измерительных приложений, где требуются не только высокие точностные параметры, но и разумное энергопотребление.
Малошумящие MAX4091/92/94 обеспечивают лучшие в данном типе значения спектральной плотности шума, но по совокупности характеристик уступают упомянутым выше MAX4236/36A/37/37A. К достоинствам MAX4091/92/94 можно отнести наличие их модификаций в исполнении Automotive.
Микросхемы MAX4330/31/32/33 являются наиболее скоростными в данной группе. Семейства MAX4291/92/94 и MAX4480/81/82/83, не отличаясь особыми параметрами, являются наиболее дешевыми решениями в рамках данного класса ОУ.
Таким образом, подводя итоги рассмотрению линейки маломощных ОУ компании Maxim, можно сделать вывод, что их параметры позволяют не только подобрать решение с заданной потребляемой мощностью, но и обеспечить вполне высокий уровень по одному или нескольким дополнительным параметрам.
Литература
1. Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. — М.: Додека-XXI, 2005.