Wzmacniacz operacyjny klasy nano power

Rys. 1. Sposób wykonania pierścienia ochronnego chroniącego przed prądami upływu

TSU111 przeznaczony jest do pracy w urządzeniach zasilanych z baterii, które wykorzystują różnego rodzaju czujniki wymagające kondycjonowania sygnału analogowego. Kondycjonowanie to operacja, w ramach której dokonuje się dopasowanie poziomów napięć, impedancji czujnika, standaryzacji poziomów napięć, kompensacja nieliniowości, offsetu, linearyzacja charakterystyki i podobnych.

Przykładem takiego układu jest układ dopasowujący czujnik temperatury w postaci termopary lub termorezystora do współpracy z przetwornikiem analogowo-cyfrowym w mikrokontrolerze. Do takich zadań wykorzystywane są precyzyjne wzmacniacze operacyjne, które można traktować jako element pośredniczący między światem analogowym a cyfrowym.

Należy zauważyć, że układ kondycjonowania cały czas jest zasilany. O ile mikrokontroler można uśpić i wybudzać co jakiś czas, aby odczytać dane z sensora, o tyle układ kondycjonowania musi być aktywny przez cały czas. Dlatego pobór mocy jest tutaj bardzo ważnym czynnikiem, zwłaszcza w aplikacjach IoT oraz rozproszonych systemach pomiarowych.

TSU111 pobiera ze źródła zasilania jedynie 900 nA przy temperaturze 25ºC, to nieco więcej niż poprzednik TSU101, który zadowala się prądem 580 nA, ale za to nowa wersja ma znacznie mniejsze wejściowe napięcie niezrównoważenia (Vio) - tylko 150 μV, a poprzednik miał aż 3 mV. Oznacza to lepsze parametry oraz brak konieczności wykonywania dodatkowych obwodów kompensacji, które też pobierają jakąś moc.

W idealnym świecie sygnał analogowy pochodzący z czujnika zostaje wzmocniony przez wzmacniacz operacyjny z nieskończonym wzmocnieniem w otwartej pętli, a zeru na wejściu odpowiada zero na wyjściu. Niestety, w praktyce, gdy sygnał przechodzi przez rzeczywisty wzmacniacz, pojawiają się błędy, a napięcie wyjściowe różni się od zera dla wejścia będącego na tym potencjale. Innymi słowy, im większa jest różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym, tym bardziej wzmacniacz jest nieprecyzyjny. Właściwość ta jest charakteryzowana właśnie przez wejściowe napięcie niezrównoważenia, które im mniejsze, tym lepiej.

Rys. 2. Przykładowe aplikacje dla wzmacniacza TSU111

Kolejnym istotnym parametrem jest zakres napięć zasilających, który dla TSU111 wynosi od 1,5 do 5,5 V. To na tyle szeroki zakres, że można go zasilać z pojedynczego dowolnego ogniwa. Mały pobór mocy pozwala też na tworzenie układów z 2...4 wzmacniaczami bez wielkiego wpływu na czas działania baterii, czego przykładem mogą być detektory ostrzegawcze przed gazami CO, H2S i podobne.

Kolejny ważny parametr to działanie rail-to-rail, a więc to że napięcie wyjściowe osiąga wartość równą napięciu zasilającemu, a więc dochodzi do poziomu masy i Vcc. W przypadku wzmacniaczy niskomocowych nie zawsze taka praca jest możliwa, a jest to istotne, bo jeśli chcemy zasilać czujnik, wzmacniacz i mikrokontroler jednym napięciem i z jednego ogniwa, to logiczne jest, aby możliwe było przetwarzanie całego zakresu napięć. W przypadku TSU111 wykonanego w technologii CMOS na wyjściu pracuje para tranzystorów PMOS i NMOS, a zakres napięć wyjściowych wynosi Vcc -0,1 V i Vee +0,1 V.

W końcu warto zauważyć, że TSU111 ma parametr określany jako iloczyn wzmocnienia i częstotliwości granicznej (zwykle oznaczany GBW od angielskiego gain-bandwidth product) na poziomie 11,5 kHz. Od tego parametru zależy górna częstotliwość graniczna praktycznego wzmacniacza przy określonym wzmocnieniu. To więcej niż 8 kHz, jakie były do dyspozycji w TSU101.

Im więcej, tym wzmacniacz jest w stanie przenosić sygnały o dużej częstotliwości i przy znacznym wzmocnieniu. Przykładowa aplikacja, gdzie to jest bardzo istotne, to układ pomiarowy z fotodiodą, gdzie wzmacniacz pracuje przy dużym wzmocnieniu jako przetwornik prądu na napięcie. Wysoki parametr GBW zapewnia możliwość szybkiej reakcji na zdarzenia świetlne.

Zakres temperatur pracy wynosi -40 do +85ºC, co pozwala na zastosowanie w aplikacjach pracujących na zewnątrz pomieszczeń. W tym zakresie temperatur producent gwarantuje wszystkie kluczowe parametry układu. Precyzję układu zapewnia też mały prąd polaryzacji, tylko 10 pA, co pozwala na zastosowanie TSU111 w aplikacjach z czujnikami o wysokiej impedancji, a także niskie szumy - tylko 3,6 μVpp w paśmie 0,1-10 Hz, co dla układu nano power jest wartością bardzo dobrą. Na koniec warto dodać, że wzmacniacz dość szybko wychodzi ze stanu nasycenia - tylko 630 μs, a podczas tego procesu nie następują żadne przerzuty, które mogłyby spowodować uaktywnienie się alarmów.

Aplikacje nano power

Warto zauważyć, że osiągnięcie dobrych parametrów działania w aplikacjach o bardzo niskim poborze mocy wymaga zachowania wielu aspektów projektowych. Istotne jest też to, że im mniejsza pobierana moc i większe impedancje w obwodach czujnika, tym większa podatność na zaburzenia elektromagnetyczne i wyładowania elektrostatyczne. TSU111 ma rozbudowane obwody zabezpieczające zapewniające odporność na ESD do 4 kV (HBM).

Natomiast zapewnienie dobrej odporności na EMI w obwodach o dużej impedancji wymaga blokady wejść do masy kondensatorami ceramicznymi o pojemności 22 pF. Warto zauważyć, że wiele kondensatorów elektrolitycznych ma prąd upływu większy niż zasilania TSU111, co prowadzi do wniosku, że w takich aplikacjach kondensatory elektrolityczne aluminiowe nie powinny być stosowane. Podobnie, rezystory o dużej oporności, które wykorzystuje się do budowy dzielników i elementów sprzężenia zwrotnego, powinny mieć duże rezystancje, aby nie zwiększać prądu zasilania.

Konieczne jest jednak wykorzystywanie wyłącznie elementów niskoszumowych. Warto przypomnieć, że typowy opornik 100 kΩ jest źródłem szumu 40 nV/√Hz. Im większy opór, tym większe szumy, przez co o kompromis nie jest niestety łatwo. Ścieżki na płytce drukowanej, zwłaszcza na mocno upakowanej, także potrafią być źródłem upływów wywołanych zanieczyszczeniami i wilgocią.

Czyli obwody drukowane aplikacji klasy nano power powinny być lakierowane, a dodatkowo wejścia powinny zostać otoczone pierścieniami ochronnymi wykonanymi z miedzi o potencjale takim samym jak wejście, po to, aby uniemożliwić przepływ prądu upływu.