Когда использовать усилитель с rail-to-rail входами и на что обращать внимание
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 (VS– – 0.2 В) до (VS+ – 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 (VOS) от величины входного синфазного сигнала (VICR), пример которой для THS4281 показан на Рисунке 3. Как видим, когда VINCM проходит диапазон напряжений между (VS+ – 1.4 В) и (VS+ – 1 В), VOS «прыгает» вниз, обозначая область, где происходит переключение. Иногда в прецизионных приложениях, где измерения с единичным усилением должны иметь точность порядка 1 мВ, такой скачок VOS 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 VBAT 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 VOS во время переключения входных каскадов. Впрочем, как я уже говорила, это не препятствие, а скорее неудобство.
Материалы по теме
- Datasheet Texas Instruments OPAx836
- Datasheet Texas Instruments THS4281
Перевод: Дмитрий Иоффе по заказу РадиоЛоцман
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
Принцип Работы Rail-To-Rail Каскада
Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
Поделиться
Последние посетители 0 пользователей онлайн
- Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу
Объявления
Сообщения
Вроде родные диоды целые с 4007 не было особой разницы
кремния тогда не было. германий-купрокс-селен. пробовать их
Резистор на 2 609 ом был в обрыве заменил. Заменил диоды на 1n4007 всё равно занижает на диапазоне 1.5в AC при 1.5в на входе показывает 19 делений по красной шкале с родной диодной сборкой 18
При одном, ушедшем в обрыв, вся последовательная цепь рвется. При этом срабатывает защита, драйвер снижает напряжение до минимума, чтобы ток через подсветку никакой не тек.
Сколько можно? Ответили ведь, чтобы изменить логику работы схемы, нужно иметь эту схему перед глазами. Или другую искать.
у одного моего товарища тоже было такое. давно, еще в 2011 году. он впаял каркас без сердечника. но ничего не сгорело.
Тема: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Что значит rail_to_rail у ОУ?
Скажите, что значит rail-to-rail обозначение у ОУ, в чём различия с без него?
Ещё по микросхеме AD8397, что обозначает REEL?
AD8397ARDZ
AD8397ARDZ-REEL
AD8397ARDZ-REEL7
Atdac-10SXA / Topping D90SE ► Noosfera A8 upg ► АС на Сканспике 8542 и 9700 / Tannoy Gold 7
11.04.2017, 21:28 #2
Завсегдатай Регистрация 22.12.2008 Адрес Москва Возраст 76 Сообщений 3,508
Re: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Сообщение от junz 
Скажите, что значит rail-to-rail обозначение у ОУ, в чём различия с без него?
Читайте здесь:
http://www.chipinfo.ru/literature/ch. /200108/4.html
11.04.2017, 21:46 #3
Старый знакомый Регистрация 18.09.2005 Адрес Краснодар Возраст 43 Сообщений 627
Re: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Сообщение от junz
что обозначает REEL?
Буквально «на катушке», в ленте для pick and place машины.
11.04.2017, 21:48 #4
Завсегдатай Регистрация 24.01.2009 Сообщений 3,259
Re: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Сообщение от junz
Скажите, что значит rail-to-rail обозначение у ОУ, в чём различия с без него?
Rail-to-Rail означает, что для этого ОУ входные и/или выходные сигналы могут достигать по величине напряжений питания. Под Rail (рельса) подразумевается шина питания.
Обычные ОУ таким свойством не обладают. Например у большинства ОУ при питании +/-15V выходное напряжение может быть где-то до +/-12V, остальное теряется на выходном каскаде.
11.04.2017, 21:52 #5
Старый знакомый
Автор темы
Регистрация 10.07.2008 Адрес Москва Сообщений 648
Re: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Спасибо большое!
Atdac-10SXA / Topping D90SE ► Noosfera A8 upg ► АС на Сканспике 8542 и 9700 / Tannoy Gold 7
12.04.2017, 17:54 #6
Завсегдатай Регистрация 06.05.2005 Адрес Ростов-на-Дону Возраст 65 Сообщений 13,171
Re: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Нужно добавить, что у Rail-to-Rail ОУ выходной каскад построен по схеме с общим эмиттером, и без ООС ОУ имеет большое выходное сопротивление.
А в «обычных» ОУ на выходе обычные повторители.
Игорь. Meridian 507.24 => DAC6 v2+свой выхлоп => Noosfera Master => Celestion A2 + Hand-made cable
12.04.2017, 20:03 #7
Завсегдатай Регистрация 08.03.2005 Адрес Северная Голландия Возраст 40 Сообщений 1,961
Re: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Я подчеркну, что бывают «простые» ОУ, бывают ОУ с Rail-to-Rail входом (Rail-to-Rail input), допускающие входные сигналы вплотную к шинам питания, бывают — с Rail-to-Rail выходом (Rail-to-Rail output), умеющие на выходе выдавать сигнал вплотную к шинам епитания — о них говорил ИГВИН. Бывают с тем и с другим. Причем для Rail-to-rail input иногда допустимо подходить только к положительной или только к отрицательной шине питания. В общем, если эти свойства важны, то нужно внимательно читать даташит.
∇·D = ρ
∇·B = 0
∇xE = – ∂B/∂t
∇xH = j + ∂D/∂t
© J. C. Maxwell, O. Heaviside
13.04.2017, 09:34 #8
Завсегдатай Регистрация 06.05.2005 Адрес Ростов-на-Дону Возраст 65 Сообщений 13,171
Re: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Всё так.
Обратил особое внимание на выходной каскад, но и входные бывают другими.
По ВК надо иметь в виду, что выходное сопротивление R-to-R полностью зависит от глубины ООС, а последняя разумеется частотно-зависима.
Игорь. Meridian 507.24 => DAC6 v2+свой выхлоп => Noosfera Master => Celestion A2 + Hand-made cable
07.02.2020, 17:36 #9
Завсегдатай Регистрация 12.10.2010 Адрес Минск Возраст 46 Сообщений 1,040
Re: Что значит rail_to_rail у ОУ?
Доброго.
Для постфильтра, по типу Lynx D68, какой ОУ можно применить вместо ора1652? Под 3,3В питание.