Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Некоторые КМОП-ОУ характеризуются драматическим увеличением входного тока (утечки), когда работают при высоком напряжении питания и ненулевом входном напряжении; например, семейство ЛинКМОП ОУ фирмы TI может иметь ток Iвх порядка 20 нА при напряжении Uвх = +2 В и Uпит = ±9 В. Напомним также, что всем ОУ на полевых транзисторах (как на полевых с p-n-переходом, так и на полевых МОП) присуще катастрофическое возрастание входного тока при повышении температуры, в типовом случае удваиваясь каждые 10 °C. При высоких температурах ОУ на полевых транзисторах часто имеют более высокие входные токи, чем хорошие биполярные типы; см. рис. 3.30.

Это неприятный факт, что большинство микромощных ОУ имеют внутреннюю коррекцию для обеспечения единичного усиления. При низких токах покоя вам необходимы вся скорость нарастания и полоса пропускания, какие только можно получить, так что было бы чудесно приобрести декомпенсированные или некомпенсированные микромощные ОУ для использования в прикладных задачах с большим коэффициентом усиления. Имеется один такой ОУ, а именно, ОР-32 фирмы PMI, но его скорость нарастания и частота fT лишь слегка лучше, чем у единично-компенсированных ОУ, таких, как 4250 и 346.

Те же самые компромиссы между скоростью и мощностью, которые ограничивают эксплуатационные данные микромощного ОУ, также применимы и к компараторам. Однако что касается сравнения обычных компараторов и ОУ, всегда можно получить лучшие характеристики по быстродействию у компаратора, а не у ОУ, эквивалентной мощности; это происходит вследствие того, что интегральные компараторы не предназначены для использования в режиме с отрицательной обратной связью и в них отсутствует снижающая быстродействие частотная коррекция. Конечно, если вы не беспокоитесь о быстродействии, то ОУ будет зачастую решать эту задачу лучшим образом, как в выше приведенной схеме метронома.

Аналогично ОУ микромощные компараторы выпускаются в двух разновидностях, а именно, с программируемым и фиксированным током Iп. Примером первого может служить LP365-счетверенный программируемый биполярный компаратор, который характеризуется общим током потребления от источника питания 10 мкА; он может работать при общем напряжении источника питания от 4 до 36 В и имеет отдельный выходной эмиттерный контакт (как 311), так что можно сравнивать отрицательные напряжения и в то же время вырабатывать сигнал на логическую схему. Примером второго может служить LP339 — микромощная версия (15 мкА на секцию) популярного маломощного (200 мкА на секцию) счетверенного компаратора LM339. Фирма TI выпускает КМОП-аналоги схемы 339/393 (TLC339/393) даже с еще меньшим током покоя и прекрасными рабочими характеристиками по быстродействию и мощности; они также поставляют их с активными привязками (TLC3 702/4), так что вы можете не тратить впустую драгоценный ток (и быстродействие) на внешнюю резистивную привязку.

Необычный микромощный компаратор — это LT1040, в который введено выключение питания, что позволяет достичь среднего значения тока покоя в 0,1 мкА при внешнем стробировании раз в секунду. В противоположность этому вы можете использовать внутренний стробируемый генератор, который потребляет дополнительно 0,5 мкА. Времени ожидания в 1 с совершенно достаточно, если вы контролируете медленно меняющиеся величины, например уровень топлива в баке. ИС LT1040 представляет собой счетверенный компаратор, выполненный по КМОП-технологии, и он имеет выходные ключевые схемы с фиксацией состояния.

Кроме того, он имеет выходной контакт «импульсного питания», который находится в активном состоянии около 80 мкс в течение времени преобразования, так что вы можете запитать резистивную цепь (например, мостовую цепь с термистором в одной из ветвей) на входе также от выключаемого источника питания. Этот кристалл (или его ближайший аналог LT1041) был бы хорошим выбором просто в качестве низкочастотного микромощного генератора (см. следующий раздел), поскольку микроамперные генераторы не так-то просто разработать. Однако следует отметить, что это, в частности, нестабильный генератор.

Вы можете применить выключаемый источник и для питания обычных (т. е. быстродействующих) компараторов, если хотите провести редкие сравнения в известные моменты времени. Например, вам необходимо выполнить акустическое измерение дальности путем подачи коротких звуковых посылок, а затем измерить двойное время прохождения сигнала в прямом и обратном направлении по приходящему эху. При измерении разности между временами прихода начала и конца посылок мы сможем даже измерить скорость. Здесь важно быстродействие и с помощью логических КМОП-схем можно решить эту задачу, но вы, вероятно, захотите иметь рабочие характеристики полномощного компаратора (см. табл. 9.3). Выключение источника питания вполне естественно здесь, поскольку вы знаете, когда необходимо проводить само измерение. В табл. 14.8 представлены имеющиеся в настоящее время маломощные компараторы.

В инструментальных средствах, питание которых производится от батареи, часто требуется формировать интервалы времени в час или около того. Вам может потребоваться провести редкие измерения с помощью различных датчиков, микропроцессора с выключаемым источником питания и системы связи (или регистрации данных) с выключаемым источником питания. Вся эта система должна «просыпаться» в заранее определенные моменты времени. Час — это достаточно большое время для установки выдержки времени с помощью RC-цепи; итак, вам потребуется более высокочастотный генератор и делитель (возможно, программируемый для задания интервала до следующего «просыпания»). Поскольку сам таймер — это только часть системы, которая функционирует постоянно, необходимо обеспечить его работу при низком значении тока. Какой же имеется выбор?

КМОП-релаксационные генераторы. Первая вещь, которую следует отметить, это то, что обычный КМОП-релаксационный генератор серии 4000 (см. рис. 8.90), работающий при нормальных напряжениях, отбирает довольно большой ток в режиме класса А, главным образом вследствие электропроводности между шинами питания, когда входной сигнал достигает порогового для КМОП-схем значения во время каждой половины цикла. Этот средний ток лежит где-то в пределах 50 мкА, когда напряжение питания составляет 5 В (быстро повышаясь при более высоком напряжении питания), и, как правило, не зависит от частоты колебаний. Решению самой проблемы не поможет установка быстродействующих серий 74НС или 74АС. Однако если сам генератор работает при напряжении 3 В, например от литиевой батареи, то его ток питания будет лежать в микроамперном диапазоне. На рис. 14.35 изображен такой микромощный генератор и указан ток потребления при различных напряжениях источника питания. При установке логических схем серии 74НС вы получите генератор с очень маленьким джиттером, хотя стабильность по напряжению схемы этого типа плохая (в типовом случае изменение частоты на 10 % при изменении напряжения от 1 В до 1,6 В).

Рис. 14.35. Микромощный КМОП релаксационный генератор.

Интегральные генераторы. IСМ7242 фирмы Intersil. Он представляет собой КМОП RС-генератор плюс 8-бит делитель, который работает при напряжении питания от 2 до 16 В и потребляет ток приблизительно 100 мкА при напряжении 5 В. Неприятен тот факт, что ток потребления не снижается значительно при низком напряжении источника питания. Типовой температурный коэффициент частоты составляет 2,5·10-4/°С.

ICM7240/50/60 фирмы Intersil/Maxim. Они аналогичны ICM7242, но имеют программируемые цифровые делители. Они потребляют такой же ток от источника питания.

ICM7207/A фирмы Intersil. Это КМОП кварцевые генераторы с делителями, предназначенные для обеспечения частот выходного сигнала соответственно 100 Гц/10 Гц и 10 Гц/1 Гц; для получения этих частот вы должны использовать кварцевые резонаторы с частотами 6,5536 и 5,24288 МГц. Эти кристаллы потребляют ток 260 мкА при напряжении 5 В, который падает до 80 мкА при напряжении 3 В. В их технических характеристиках записано, что они будут работать при снижении напряжения до 1 В на более низких частотах, токи потребления составят несколько микроампер.

ICM7555/6 фирмы Intersil и другие. Это КМОП-аналоги схемы 555, как правило, с улучшенными характеристиками (более низкий ток питания, более высокая максимальная частота, гораздо меньшие переходные процессы в токе питания). Ток покоя составляет 60 мкА при напряжении 5 В, который также почти равен рабочему току в режиме генератора, если используется большое значение времязадающего резистора. Типовое значение температурного коэффициента составляет 1,5·10-4/°С ИС 7556 — это сдвоенный 7555. Аналогичная схема LMC555 фирмы National потребляет ток 100 мкА и имеет температурный коэффициент 7,5·10-5/°С. Посмотрите в табл. 5.3 параметры других схем 555, выпускаемых фирмами TI, Advanced Linear Devices и Exar.