компаратор и операционный усилитель в чем разница
Falconist. Мемуары
Быстродействие ОУ по сравнению с компараторами
Запись опубликовал Falconist · 5 сентября, 2016
Что меня поражает: схемы ЛБП традиционно выполняются на ОУ. И настолько этот постулат въелся в сознание, что другое даже себе не представляется. Я не имею в виду дискретные компоненты! Именно интегральные микросхемы. А задумывался ли кто-нибудь о быстродействии ОУ, да еще при их последовательном включении? Видимо, нет. А я вот задумался и щас кого-то, наверное, очень сильно удивлю. Так что крепче держитесь за стул.
Как видим, за исключением двухтактного выходного каскада (обведено рамкой) и некоторых различий в токах, формируемых генераторами тока, обе микросхемы очень похожи (НЕ идентичны, а именно похожи).
В Мультисиме включил их параллельно в режиме компаратора. Для выхода LM393 подключил нагрузочный резистор 2 кОм. На вход подал прямоугольный сигнал частотой 5, 50 и 500 кГц.
Компаратор формирует четкие прямоугольные импульсы. С выхода ОУ фронты завалены.
Это я специально взял отнюдь не самые лучшие приборы! Токмо чтобы показать разницу в работе.
Компаратор на основе операционного усилителя. Плюсы и минусы
Вообще говоря, сделать из операционного усилителя хороший компаратор невозможно. Чтобы получить оптимальные характеристики и не тратить дополнительное время на отладку, лучше всего использовать специализированную микросхему компаратора.
Компаратор – отличная схема, поскольку обеспечивает почти идеальный переход от аналогового сигнала к цифровому. Компаратор выглядит как устройство с двумя линейными входными сигналами, уровень цифрового выхода которого может быть либо высоким, либо низким, в зависимости от соотношения входных сигналов. Просто, но очень полезно.
Если в вашем устройстве должна быть подобная схема, лучше всего использовать микросхему компаратора, предназначенную именно для таких приложений. Однако многим разработчикам известно, что стандартный операционный усилитель (ОУ) также можно использовать в качестве компаратора. Это особенно привлекательно в тех случаях, когда в устройстве остается незадействованный ОУ, и его использование не потребует ни дополнительных затрат, ни места на печатной плате.
Однако, весьма вероятно, что получившийся из ОУ компаратор не оправдает ваших ожиданий, и его характеристики, возможно, будут далеки от оптимальных. Ошибки, обусловленные непрофессиональным подходом, могут привести к тому, что время разработки и отладки намного превысит планируемое. Лучше всего, если вам нужен компаратор, и вы хотите избежать проблем и получить наилучший возможный результат, использовать микросхему компаратора.
В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?
Основные различия между ними следующие:
Несмотря на внешнее сходство, две схемы различны и предназначены для разных приложений.
Так можно ли использовать ОУ в качестве компаратора? [1] Возможно. Многие инженеры используют. Нередко так делают, когда требуется лишь один компаратор, а в корпусе счетверенного ОУ остался «свободный» усилитель. Необходимая для устойчивой работы ОУ фазовая коррекция означает, что такой компаратор будет очень медленным, но если особых требований к быстродействию не предъявляется, может быть достаточно и операционного усилителя. Иногда такой подход вполне приемлем, но в некоторых случаях он непригоден.
Работа компаратора
Один из способов разобраться с работой компаратора – изучить базовую конфигурацию ОУ, показанную на Рисунке 1а. Усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без обратной связи (AOL >> 1000). То, что он усиливает, – это разность между двумя входами V1 и V2. Выходное напряжение равно
Из-за высокого коэффициента усиления для положительного или отрицательного насыщения выхода большого входного дифференциального сигнала (V2 – V1) не требуется. Например, при напряжении источника питания ±5 В и коэффициенте усиления без обратной связи, равном 100,000, выходное напряжение достигнет шины питания при дифференциальном входном сигнале с уровнем 5/100,000 = 50 мкВ или выше. Передаточная характеристика вход-выход изображена на Рисунке 1б.
 | ||
| Рисунок 1. | Операционный усилитель в инвертирующем включении (а) и его передаточная характеристика вход-выход (б). | |
Истинный компаратор работает от одного источника питания, как правило, того же, который используется для цифровой логики. Выход через подтягивающий резистор подключен к шине питания (Рисунок 2а). На входы компаратора поданы опорное напряжение VREF и сигнал VIN, уровень которого сравнивается с опорным уровнем. В качестве опорного и сигнального может использоваться любой из двух выходов компаратора. Обычно опорное напряжение постоянно, а входной сигнал изменяется. Компаратор может включаться в двух основных конфигурациях:
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
ElectronicsBlog
Обучающие статьи по электронике
Компараторы и триггеры Шмитта на ОУ
Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Работа операционного усилителя без обратной связи
Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU
Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь (ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.
Принцип работы компаратора
Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже
Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.
В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.
На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.
Основные схемы компаратора
Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор сравнивает два напряжения с учётом знака. Расссмотрим обе схемы подробнее.
Схема одновходового компаратора.
На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.
Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению
Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2
Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.
Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже
Схема двухвходового компаратора.
В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.
Компараторы применяются в широком спектре схем:
При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже
Появление ложных импульсов на выходе компаратора.
Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.
Триггер Шмитта
Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.
В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения. Данное различие иллюстрирует изображение ниже
Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.
Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже
Триггер Шмитта на операционном усилителе.
Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.
Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением
Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением
Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП
Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.
Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта
Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение UВЫХ изменяется от UНАС+ до UНАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).
Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже
Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС.
Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (UВХ 
Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.
В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.
При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве UНАС+ необходимо использовать UСТ (когда используется один стабилитрон) или UСТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо UНАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или UСТVD2 (при двухстороннем ограничении).
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Разница между дифференциальным операционным усилителем и компаратором
В чем разница между дифференциальным операционным усилителем и компаратором? Я знаю, что компаратор может дать мне только два значения (значения предложения).
В первом приближении разницы нет. Аналогичный вопрос может быть «в чем разница между двигателем постоянного тока и генератором?» Любой из них будет работать в любом качестве, но каждый оптимизирован для максимизации определенных качеств за счет других в соответствии с предполагаемым применением.
Давайте сравним внутреннюю схему для общего операционного усилителя TL072 и общего компаратора LM339 :
TL072
LM339
TL072 использует JFET для ввода. Это связано с тем, что JFET обеспечивают очень высокий входной импеданс, что желательно для операционного усилителя. Большая часть анализа операционных усилителей предполагает, что токи смещения (токи, проходящие через входы) равны нулю, но это верно только в той степени, в которой входной импеданс бесконечен. Для компаратора требуется высокий входной импеданс, чтобы избежать чрезмерной загрузки источника, но не так важно, чтобы входной импеданс был очень высоким.
Опытный разработчик ИС, вероятно, мог бы указать на большее количество различий, кроме одной схемы. Я не из тех, но я вижу различия в таблицах. Например, я не вижу коэффициента подавления синфазного сигнала или источника питания, гармонических искажений или коэффициента шума, указанных для LM339. Их можно было бы измерить для компаратора, и вы найдете их в каждой спецификации операционного усилителя, но для приложения компаратора эти параметры не особенно актуальны, поэтому они не указаны, и, если бы они были, скорее всего, были бы очень бедные.
Таким образом, в любом случае вы можете использовать операционный усилитель в качестве компаратора или компаратор в качестве операционного усилителя, если ваши требования не очень требовательны. Учитывая разницу в том, как указаны детали, может быть невозможно узнать из спецификаций, как они будут работать.
Выходы компараторов иногда представляют собой открытый коллектор / сток для цифровой работы. Выходы нескольких компараторов могут быть связаны друг с другом для формирования логического элемента NAND:
Однако выход операционного усилителя всегда аналоговый, предназначенный для линейной работы.
Операционный усилитель, предназначенный для работы в замкнутом контуре, оптимизирован для применения в замкнутом контуре. Результаты при использовании операционного усилителя без обратной связи непредсказуемы. Ни один производитель полупроводников, включая Texas Instruments, не может и не будет гарантировать работу операционного усилителя, используемого в разомкнутом контуре. Транзисторы с аналоговым выходом, используемые в операционных усилителях, предназначены для вывода аналоговых сигналов и поэтому имеют большие линейные области. Транзисторы проведут чрезмерное количество времени в линейной области до насыщения, что увеличит время нарастания и спада.
В целом, операционные усилители рекомендуются для линейной работы и компараторы для сравнения напряжения. Это можно использовать определенные операционные усилители как компараторы с конфигурацией открытым контура, но производительность в таком режиме в будет плохой и / или непредсказуемый по сравнению с компаратором. И некоторые операционные усилители могут быть разрушены при использовании в такой конфигурации.
Операционные усилители и компараторы с ультрамалым энергопотреблением
Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)
Нанопотребляющие ОУ и компараторы производства Maxim Integrated могут использоваться для контроля уровня заряда аккумуляторов, фильтрации сигналов, измерения освещенности, мониторинга температуры. При этом суммарное потребление таких схем не превышает 1…2 мкА.
История операционных усилителей (ОУ) насчитывает уже более 80 лет. Первые ламповые промышленные ОУ начали выпускаться в 40-е годы прошлого века. Первый интегральный ОУ μA702 был создан компанией Fairchild в 1963 году. С тех пор многое изменилось, однако операционные усилители и компараторы по-прежнему широко используются практически во всех областях электроники от промышленного оборудования и медицинской техники до военных и автомобильных приложений.
Разумеется, в каждой конкретной отрасли требования к ОУ и компараторам существенно различаются. Более того, эти аналоговые компоненты продолжают развиваться вместе с появлением новых направлений в электронике. В качестве яркого примера можно привести сегмент портативной электроники: умные часы, шагомеры, фитнес-трекеры, портативные медицинские приборы и им подобное. Очевидно, что классические ОУ и компараторы, выполненные в традиционных DIP-/SOIC-корпусах и требующие двуполярного питания, для таких приложений совершенно не подходят. Вместо этого требуются сверхкомпактные, малопотребляющие компоненты с однополярным питанием.
Зачем нужны малопотребляющие ОУ и компараторы?
В последнее время появляется все больше устройств с батарейным или аккумуляторным питанием: смартфоны, ноутбуки, фитнес-трекеры, портативные медицинские приборы и так далее. С первого взгляда может показаться, что в этих цифровых приборах совсем не осталось места для дискретных ОУ и компараторов, однако это далеко не так. ОУ и компараторы по-прежнему широко применяются, например, для нормирования сигналов с различных датчиков, создания схем сдвига уровней, буферизации сигналов и прочего. С другой стороны, они отлично справляются с новыми задачами, такими как контроль уровня заряда аккумулятора, измерение тока разряда, мониторинг температуры и так далее. Вместе с тем к ОУ и компараторам, используемым в портативных устройствах с аккумуляторным питанием, предъявляют более жесткие требования, касающиеся потребления, габаритов и диапазона напряжений питания. Рассмотрим их подробнее.
Минимальное потребление. Говоря о потреблении, необходимо понимать, что все познается в сравнении. Например, ОУ с потреблением на уровне единиц или даже десятков мА может без каких-либо особых проблем использоваться в промышленном оборудовании, однако для портативных устройств с батарейным питанием столь высокий собственный ток оказывается неприемлемым сразу по двум причинам. Во-первых, такой ОУ очень быстро «съест» заряд аккумулятора. Во-вторых, мощность, рассеиваемую ОУ, нужно будет куда-то отводить, что не всегда возможно в случае, скажем, современных сверхкомпактных умных часов.
Рассмотрим пример с обычной дисковой батарейкой емкостью 34 мА⋅ч и рабочим диапазоном выходных напряжений 2…3 В [1]. При работе с нагрузкой 2,5 мкА такая батарейка обеспечит длительность автономной работы устройства 18,6 месяцев (без учета саморазряда). Однако если в составе схемы присутствует ОУ с потреблением всего 1,5 мкА (Iq), то срок службы элемента питания сократится на 60%! Таким образом, для подобных приложений требуются ОУ и компараторы с наноамперным уровнем потребления.
Компактные габаритные размеры. В портативных устройствах компараторы и ОУ работают с напряжениями малых значений и редко используются для питания мощной нагрузки, однако им приходится сталкиваться с жестким ограничением свободного пространства. В таких устройствах требуются сверхкомпактные и низкопрофильные корпусные исполнения. Традиционные SOIC-/TSSOP-компоненты попросту не уместятся в умных часах. По этой причине производители либо разрабатывают новые корпусные исполнения, либо применяют самые компактные традиционные корпуса.
Таблица 1. Обзор корпусных исполнений современных сверхкомпактных ОУ и компараторов
| Корпус | Габариты, мм | Площадь, мм 2 | Типовое количество ОУ в корпусе |
|---|---|---|---|
| WLP-6 | 1,1×0,76×0,35 | 0,84 | 1 |
| WLP-8 | 1,63×0,91×0,5 | 1,48 | 2 |
| X2QFN-8 | 1,50×1,50 | 2,25 | 2 |
| VSSOP-8 | 3,0×3,0 | 9 | 2 |
| SOT-23-5 | 2,90×1,60 | 4,64 | 1 |
| SOT-23-8 | 3,0×3,0 | 9 | 2 |
| SOIC-8 | 4,9×3,90 | 19,11 | 2 |
| SMT 0603 | 1,55×0,85×0,45 | 1,32 | – |
Широкий диапазон напряжений питания. У каждого аккумулятора и батарейки есть допустимый диапазон рабочих напряжений. Например, у литиевых элементов питания диапазон рабочих напряжений составляет 2,5…4,2 В, а у Ni-Cd-аккумуляторов всего 0,9…1,45 В. Более глубокий разряд практически неизбежно приведет к деградации аккумулятора. Таким образом, ОУ и компараторы вынуждены работать с однополярным и низковольтным питанием.
Очень часто к ОУ и компараторам, используемым в портативных приборах, предъявляют и дополнительные требования: низкое смещение входного напряжения и тока (для выполнения точных измерений), низкий уровень шума, относительно высокая рабочая частота и так далее.
Операционный усилитель или компаратор?
Операционные усилители и компараторы являются родственными компонентами, но между ними есть важные принципиальные отличия, которые во многом определяют их области применения.
Тип выхода. По сути, компаратор представляет собой ОУ с очень большим коэффициентом усиления, выход которого может находиться только в двух устойчивых насыщенных состояниях: низком (логический «0») или высоком (логическая «1»). Таким образом, несмотря на свою аналоговую природу, компаратор оказывается цифровым компонентом. Его выход можно напрямую подключать к цифровым схемам. В то же время ОУ является чисто аналоговым компонентом, и для его взаимодействия с управляющим контроллером понадобится АЦП.
Потребление. Разумеется, можно заставить обычный ОУ работать в режиме компаратора, задав большой коэффициент усиления. Однако его выход будет постоянно находиться в режиме насыщения, из-за чего потребление существенно возрастет, а динамические характеристики окажутся неудовлетворительными. Компараторы имеют упрощенный выходной каскад и оптимизированы для работы напряжениями, близкими к границам диапазона рабочих напряжений. Более того, как уже было отмечено выше, для работы с ОУ понадобится АЦП, который является весьма прожорливым компонентом, а компаратор по умолчанию работает как простейший однобитный АЦП.
Габариты. Работа с ОУ предполагает использование внешних резисторов и конденсаторов, а компараторы обычно обходятся одним подтягивающим резистором на выходе (если речь идет о выходе с открытым стоком/коллектором). В результате компараторы занимают на плате меньше места.
Стоимость. Стоимость является критичным фактором для современной портативной электроники, поэтому во многих приложениях использование компаратора будет более предпочтительным:
Таким образом, можно сделать некоторые выводы по использованию ОУ и компараторов. Если требуется усилить аналоговый сигнал для дальнейшей аналоговой или цифровой обработки, то потребуется ОУ. Если же система работает с дискретными сигналами или ей необходимо обнаруживать только граничные состояния, то лучшим вариантом будет компаратор. В таких случаях компараторы обеспечат меньшее потребление, меньшие габариты и меньшую стоимость.
Рассмотрим конкретные примеры малопотребляющих ОУ и компараторов.
Примеры современных малопотребляющих ОУ
Производители полупроводников чутко следят за тенденциями рынка и оперативно предлагают новые решения. Например, у всех крупных поставщиков ОУ есть модели с наноамперным потреблением, созданные специально для устройств с батарейным питанием.
Компания Maxim Integrated предлагает одноканальные ОУ MAX40007 и двухканальные ОУ MAX40018 (таблица 2).
Одноканальный операционный усилитель MAX40007 имеет типовое потребление всего 750 нА – меньше, чем саморазряд многих типовых аккумуляторов. Данный ОУ может работать с напряжениями питания 1,7…5,5 В, что позволяет ему оставаться активным даже при глубоком разряде аккумулятора или батарейки. Еще одним достоинством MAX40007 являются компактные габариты – всего 1,1×0,76 мм (WLP-6), своеобразный рекорд для отрасли.
MAX40018 – двухканальный ОУ, поставляемый в сверхкомпактном корпусе WLP-8 с размерами всего 1,63×0,91×0,5 мм. Если пересчитать потребление и площадь на один канал, то MAX40018 оказывается более эффективным, чем MAX40007: для MAX40018 типовое потребление на канал составляет всего 400 нА, а площадь – 0,74 мм 2 на один ОУ. Еще одним плюсом MAX40018 является низкий входной ток 0,1 пА.
Для ознакомления с возможностями и характеристиками ОУ производства Maxim можно использовать отладочные платы MAX40007EVKIT и MAX40018EVKIT.
Другие производители также имеют в своей линейке поставок ОУ с наноамперным уровнем потребления, однако именно MAX40007 и MAX40018 оказываются более предпочтительным вариантом для портативной электроники из-за своих рекордно малых размеров.
Таблица 2. Основные характеристики малопотребляющих ОУ
| Параметр | MAX40007 | MAX40018 |
|---|---|---|
| Число каналов | 1 | 2 |
| Напряжение питания, В | 1,7…5,5 | 1,7…5,5 |
| Потребление Iq тип. | 750 нА | 400 нА/канал |
| Входное напряжение смещения макс., мВ | ±1,3 | ±1,3 |
| Входной ток смещения тип., пА | 40 | 0,1 |
| Выходной ток макс., мА | 30 | 20 |
| Входной шум, нВ/√Гц (1 кГц) | 513 | 730 |
| PSRR, дБ | 100 (тип.) | 88 |
| GBP, кГц | 15 | 9 |
| Корпус (размер, мм) | WLP-6 (1,1×0,76), SOT-23 (2,90×1,60) | WLP-8 (1,63×0,91×0,5), TDFN-8 (3×3×0,75) |
| Диапазон рабочих температур, °С | -40…125 | -40…125 |
Примеры современных малопотребляющих компараторов
Компания Maxim Integrated выпускает семейство компараторов MAX4000x с наноамперным уровнем потребления (таблица 3) [2].
Таблица 3. Основные характеристики малопотребляющих компараторов Maxim
| Параметр | MAX40000/MAX40001 | MAX40002/MAX40005 |
|---|---|---|
| Число каналов | 1 | 1 |
| Напряжение питания, В | 1,7…5,5 | 1,7…5,5 |
| Потребление Iq тип., нА | 900 | 500 |
| Входное напряжение, В | -0,2…5,7 | 0,1…5,5 |
| Корпус (размер, мм) | WLP-6 (1,1×0,76), SOT-23-5 (2,90×1,60) | WLP-4 (0,73×0,73), SOT-23-5 (2,90×1,60) |
| Диапазон рабочих температур, °С | -40…125 | -40…125 |
Одноканальные компараторы MAX40000/01 потребляют всего 900 нА и выпускаются в компактных корпусах WLP-6 (1,1×0,76 мм) и SOT-23-5. Компараторы MAX40002/03/04/05 потребляют всего 500 нА и выпускаются в еще более миниатюрном корпусе WLP-4 размером 0,73×0,73 мм, а также в корпусе SOT-23-5. Благодаря компактным размерам эти компараторы могут быть размещены в непосредственной близости от аккумулятора портативного устройства, что делает их идеальным выбором для мониторинга температуры элемента питания.
В составе MAX40000/01 присутствует встроенный прецизионный калиброванный источник опорного напряжения (ИОН) с начальной точностью 1% и максимальной погрешностью 2,5% во всем диапазоне рабочих температур. Существуют модели с ИОН 1,252, 1,66, 1,94 и 2,22 В.
Компараторы MAX40002…05 имеют исполнения как со встроенным ИОН, так и без него. Однако в моделях со встроенным ИОН (0,2/0,5/1,222 В) это напряжение не выводится на внешний вывод.
Между собой компараторы отличаются типом выхода:
Стоит также отметить, что MAX40002/04 имеют неинвертирующие входы, а в MAX40003/05 реализованы инвертирующие входы.
Для ознакомления с возможностями компараторов Maxim следует использовать отладочные платы MAX40000EVKIT…MAX40005EVKIT.
Рассмотрим некоторые примеры использования малопотребляющих ОУ и компараторов.
Измерение тока разряда батареи с помощью ОУ [3]
Большинство современных аккумуляторов плохо воспринимает глубокий разряд, поэтому контроль уровня заряда является одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиками. Наиболее распространенным и бюджетным методом измерения уровня заряда является суммирование токов. Для этого необходим токоизмерительный шунт, операционный усилитель и АЦП. Суть метода проста – ток, протекая по шунту, создает на нем падение напряжения, которое усиливается ОУ и измеряется АЦП. Интегрируя ток по времени и зная номинальную емкость аккумулятора, можно рассчитать уровень оставшегося заряда.
Разумеется, во многих приложениях для решения этой задачи можно использовать микроконтроллер со встроенными АЦП и ОУ. К сожалению, встроенные ОУ, как правило, не могут похвастаться малым потреблением.Например, типовое потребление встроенных ОУ обычно составляет сотни мкА, что очень и очень мало, но все-таки недостаточно мало для некоторых случаев. В то же время дискретные ОУ обеспечивают минимум потребления и практически не занимают места на печатной плате.
На рисунке 1 представлена схема измерения тока на базе MAX40007. В качестве токоизмерительного сопротивления в ней используется резистор 10 Ом (RSENSE). MAX40007 усиливает сигнал с шунта (2 В/В) и передает его на АЦП. Для обеспечения минимального потребления в данной схеме используются высокоомные резисторы. Так как входной ток MAX40007 составляет всего 40 пА, то основной вклад в потребление вносит собственный ток ОУ (Iq) и ток, протекающий через резисторы R1 (100 кОм) и R3 (10 МОм). Суммарное типовое потребление схемы не превышает 1 мкА.
Рис. 1. Простая, бюджетная и малопотребляющая схема измерения тока на ОУ
Заграждающий малопотребляющий фильтр [3]
Электромагнитные помехи являются одной из важнейших проблем для чувствительных измерительных и медицинских приборов, например, для ЭКГ. При снятии ЭКГ используют удаленные электроды, которые при работе в шумном окружении будут неизбежно собирать помехи от других приборов. В результате распространенной задачей в данном случае становится борьба с помехами 50/60 Гц. Для фильтрации шумов 50/60 Гц обычно используют полосовые фильтры.
Очень многие нанопотребляющие ОУ не могут похвастаться хорошими частотными характеристиками и низким уровнем собственных шумов. Однако ОУ MAX40007 является приятным исключением.
Рис. 2. Заграждающий 60-Гц фильтр на MAX40007
На рисунке 2 представлена схема заграждающего фильтра 60 Гц. Это двойной Т-образный RC-фильтр, выходной сигнал от которого дополнительно усиливается с помощью MAX40007. Частотные характеристики фильтра показаны на рисунке 3.
Рис. 3. Частотные характеристики заграждающего фильтра на MAX40007
Контроль уровня освещенности с помощью ОУ [3]
Многие современные портативные устройства с аккумуляторным питанием имеют дисплей. Как правило, дисплей вносит значительный вклад в общее потребление системы. Для его снижения, используют динамическую подстройку яркости экрана в зависимости от яркости внешнего освещения.
Для контроля освещенности очень часто используют простейшую схему, состоящую из фотодиода и трансимпедансного усилителя (рисунок 4). Этот усилитель необходим для преобразования тока фотодиода в напряжение. Так как ток фотодиода очень мал (субмилиамперный диапазон), то резистор обратной связи (Rf) должен быть большим. Усилитель MAX40007 хорошо подходит для данного приложения, так как обладает сразу несколькими достоинствами: малым значением входного тока (всего 40 пА), низким уровнем шума, и низким собственным потреблением. Типовое суммарное потребление схемы при максимальном уровне освещения не превышает 740 нА.
Рис. 4. Схема измерения освещенности на MAX40007
Мониторинг уровня заряда аккумулятора с помощью компаратора [4]
Для некоторых устройств не требуется точно знать уровень заряда аккумулятора. Вместо этого требуется определять моменты полного заряда и полного разряда. Разумеется, эту задачу можно решить с помощью микроконтроллера со встроенным АЦП или со встроенным компаратором, однако такое решение будет потреблять достаточно много энергии. Если устройство работает с жестким ограничением бюджета мощности, то чем дольше микроконтроллер будет находиться в режиме сна, тем лучше. По этой причине для контроля заряда/разряда аккумулятора лучше использовать нанопотребляющие компараторы.
На рисунке 5 представлена простая, бюджетная и малопотребляющая схема контроля заряда/разряда на базе компаратора MAX40000. Компаратор контролирует напряжение на аккумуляторе. При достижении полного заряда выход компаратора переключается в низкое состояние, сообщая микроконтроллеру о необходимости прекращения цикла заряда. При достижении состояния полного разряда компаратор переключается в высокое состояние на выходе, сообщая микроконтроллеру о необходимости начала цикла зарядки. Пороговые значения определяются номиналами резисторов и могут быть подстроены под конкретный тип аккумуляторов. Точность измерений также определяется, в основном, разбросом номиналов резисторов. Подробнее об этом рассказывается в статье [4]. Предлагаемая схема обеспечивает минимальное потребление на уровне 2 мкА.
Рис. 5. Схема контроля заряда/разряда аккумулятора
Мониторинг температуры с помощью компаратора [4]
Еще одной важной задачей при работе с аккумуляторами является контроль температуры. Перегрев может свидетельствовать о наличии критических неисправностей. Чтобы предотвратить катастрофические последствия, микроконтроллер должен вовремя отключить питание системы.
Простейшая схема измерения температуры представлена на рисунке 6. В ней компаратор MAX40004 контролирует сигнал с датчика температуры, в качестве которого используется NTC-термистор. При превышении порогового значения температуры компаратор срабатывает (низкое состояние на выходе), тем самым сообщая микроконтроллеру о перегреве.
Рис. 6. Простейшая схема контроля температуры
Если используется NTC 100 кОм, номинал резистора R1 составляет 1,08 МОм, а резистора R2 – 120 кОм, то суммарное потребление схемы составит всего 2 мкА. Подробнее о данной схеме можно прочитать в публикациях [2, 4].
Заключение
Современные портативные приборы с аккумуляторным питанием требуют от операционных усилителей и компараторов минимального потребления и компактных габаритных размеров.
Производители предлагают ОУ и компараторы, уровень потребления которых сопоставим с уровнем саморазряда аккумуляторов и находится в наноамперном диапазоне.
Нанопотребляющие ОУ и компараторы производства компании Maxim Integrated могут использоваться для решения различных задач, в том числе – для контроля уровня заряда аккумуляторов, фильтрации сигналов, измерения освещенности, мониторинга температуры. При этом суммарное потребление этих схем не превышает 1…2 мкА.