Kevin Tretter, Senior Product Marketing Engineer na oddelku Analog & Interface Products Division podjetja Microchip Technology Inc. ocenjuje prednosti in slabosti različnih arhitektur natančnih operacijskih ojačevalnikov.
Niso vsi natančni operacijski ojačevalniki narejeni enako
Čeprav ni dvoma, da lahko operacijski ojačevalniki z višjo natančnostjo odpravijo potrebo po umerjanju sistema, bodisi med proizvodnjo ali kdaj kasneje, se oblikovalci še vedno ukvarjajo z dilemo, katera arhitektura z nizkim offsetom je najprimernejša za posamezno aplikacijo. Izbira pravega operacijskega ojačevalnika je odvisna od tega, kakšne so prednosti in slabosti vsake posamezne arhitekture. Ta članek opisuje prednosti in slabosti operacijskih ojačevalnikov pri katerih je uporabljeno izenačevanje z EPROM-om, lasersko izenačevanje, avtomatsko izenačevanje in vgrajeno kalibracijo.
Natančni operacijski ojačevalnik je ponavadi tisti, pri katerem uporabimo neko obliko popravka offset napetosti. Offset napetost je razlika napetosti med invertirajočim ojačevalnikom in neinvertirajočim ojačevalnikom, ki se lahko razlikujeta od nekaj mikrovoltov do več milivoltov. Velikost offset napetosti je v veliki meri odvisna od tega, kako dobro sta uparjena vhodna tranzistorja ojačevalnika.
Poleg neke vhodne offset napetost lahko na obnašanje te napetosti napake vplivajo tudi drugi pogoji, vključno s spremembami v napetosti v sofaznem načinu delovanja, napajalna napetost, izhodna napetost, temperatura in seveda čas. V odvisnosti od tega, kakšna naj bi bila ciljna aplikacija, lahko ti zunanji pogoji določajo najboljšo arhitekturo operacijskega ojačevalnika za vsak posamezen primer.
EPROM umerjanje
N
ekateri natančni operacijski ojačevalniki uporabljajo EPROM varovalke (fuses), s katerimi lahko nastavijo vhodno offset napetost. V mnogih primerih se to izvede istočasno z zadnjo fazo testiranja in je stroškovno zelo učinkovit način, da dobimo operacijski ojačevalnik z nizko začetno offset napetostjo. Ker je ojačevalnik umerjen po montaži, lahko s tem načinom odpravimo vse odklone, ki so povezani s sestavljanjem in izdelavo čipa. Druga prednost te arhitekture je, da je ojačevalnik umerjen s strani proizvajalca in ne zahteva nobenega dodatnega nastavljanja s strani naročnika. Slaba stran tega načina pa je, da EPROM varovalke zasedajo prostor na čipu, zato operacijski ojačevalniki, ki jim lahko offset napetost kompenziramo prek varovalk v EPROM-u verjetno še ne bodo na voljo v ultra majhnih ohišjih. Prav tako kot ojačevalnik za splošne namene je tudi ta arhitektura občutljiva na vplive okolja, kot so temperatura in spremembe v sofaznem načinu delovanja ali spremembe napajalne napetosti.
Lasersko umerjanje
Druga metoda, ki se pogosto uporablja za povečanje natančnosti operacijskega ojačevalnika je lasersko umerjanje. Ta proces uporablja laser za prilagoditev vrednosti upornosti tankoplastnih uporov v rezini silicija. Natančnost tega pristopa je lahko relativno visoka, saj lasersko obrezovanje poteka zvezno in ne z nizom diskretnih korakov, kot ga uporabljajo pri EPROM kalibraciji. Še ena prednost tega postopka je, da so tankoplastni upori so sami po sebi zelo temperaturno stabilni, kar še poveča točnost ojačevalnika v širokem temperaturnem območju.
Lasersko umerjanje pa se mora izvajati na ravni površini, zato je ni mogoče opraviti potem, ko je že vgrajena v ohišje. Proces razreza silicijevih rezin na posamezne tabletke, vstavljanje tabletk v ohišje in povezovanje tabletke z zunanjimi priključki integriranega vezja lahko povzročijo mehanski stres, ki negativno vpliva na celotno točnost vezja. Sprememb, ki so povezane s sestavljanjem pri lasersko umerjenih operacijskih ojačevalnikih ne moremo predvideti, zato lahko kljub natančnemu laserskemu umerjanju kasneje pride do napak pri ojačenju operacijskega ojačevalnika.
Podobno kot smo videli v primeru EPROM umerjanja, se tudi lasersko umerjanje izvede le enkrat v toku proizvodnje čipa in žal ne ponuja možnosti ponovnega umerjanja. Spremembe v zunanjih pogojih delovanja, kot so temperatura in delovna napetost, bodo zato negativno vplivale na točnost ojačevalnika in lahko neposredno vplivajo na delovanje celotnega vezja.
Operacijski ojačevalniki s samodejnim nastavljanjem
Arhitektura čipov s samodejno nastavitvijo, pri katerih se neprekinjeno izvaja proces korekcije z uporabo ničelnega ojačevalnika, s katerim odpravimo izravnavo napetosti glavnega ojačevalnika. Ta arhitektura omogoča izjemno nizek nivo napake, ki je lahko tudi do 100-krat boljši od ojačevalnika, pri katerem smo uporabili EPROM kalibracijo. Imajo tudi minimalno drsenje offset napetosti in odpravlja 1/f šum, hkrati pa zagotavlja vrhunsko dušenje motenj v napajanju in sofaznem načinu delovanja. Ker ta arhitektura znotraj čipa nenehno popravlja nivo vhodne offset napetosti, je sama po sebi neobčutljiva na vplive okolja. Spremembe temperature in staranje, pa tudi spremembe napajalne napetosti ali napetosti sofaznega delovanja imajo zato zelo malo vpliva na natančnost takšnega operacijskega ojačevalnika. Ker ima vezje samodejno nastavitev integrirano v čip, ni potrebe po dodatnem vhodnem priključku. Z vidika sistema je operacijski ojačevalnik s samodejno nastavitvijo (na primer MCP6V0, prikazan na sliki 1), na videz enak in tudi deluje enako kot standardni operacijski ojačevalnik, vendar se odlikuje z dodatno prednostjo, namreč z odličnim delovanjem.
Kljub vsem tem prednostim ima arhitektura operacijskega ojačevalnika s samodejno nastavitvijo nekaj omejitev. Nenehno preklapljanje notranjega vezja za kalibracijo proizvaja šum pri preklapljanju in se odraža tudi v višjem toku mirovanja pri neki izbrani pasovni širini. Končno je zaradi izjemno visoke natančnosti te vrste operacijskih ojačevalnikov njihovo preizkušnje lahko razmeroma dolgo, pri tem pa za njihovo proizvodnjo potrebujejo tudi dražje naprave.
Umerjanje, vgrajeno v čipu
Naslednja možnost je uporaba zelo natančnega operacijskega ojačevalnika z vgrajenim vezjem za kalibracijo. Microchipova mCal tehnologija umerjanja omogoča operacijskemu ojačevalniku doseganje podobnih zelo nizkih začetnih offset napetosti kot druge arhitekture, vendar se za razliko od EPROM ali lasersko umerjenih ojačevalnikov umerjanje izvede ob priključitvi na napajanje ali prek zunanjega priključka za kalibracijo. To omogoča uporabniku, da ponovno umeri ojačevalnik takrat, ko je to potrebno.
S pogostim ponovnim umerjanjem lahko dosežemo visoko točnost ojačevalnika, na katero razmere v okolju ne bodo vplivale. Vzemimo primer, ko kupca skrbi napaka drsenja zaradi temperature, jo je mogoče zmanjšati z ponovno kalibracijo vezja vsakič, ko se temperatura spremeni na primer za pet stopinj. Ker lahko to bistveno zmanjša vpliv temperature na ojačevalnik, mora uporabnik pogosto izvajati rutino umerjanja s spremembo logičnega nivoja na priključku za kalibracijo.
Povzetek
V večini aplikacij lahko z uporabo operacijskega ojačevalnika z večjo natančnostjo dobimo veliko boljše karakteristike končnega izdelka. Če poznamo in razumemo prednosti in slabosti vsake arhitekture, ki se uporablja za doseganje nizkih offset napetosti, lahko že v začetni fazi razvoja izberemo pravi operacijski ojačevalnik. Kot smo videli pri zgoraj opisanih arhitekturah za doseganje nizkih začetnih offset napetosti, lahko sprememba razmer v okolju vpliva tudi na točnost ojačevalnika. Uporaba operacijskega ojačevalnika z neprekinjeno samodejno kalibracijo ali z drugo možnostjo ki ob uporabi mCal tehnologije omogoča zmanjšanje občutljivosti na spremembo zunanjih vplivov. V tabeli 1 so predstavljene kompromisne rešitve, ki jih je treba upoštevati pri oceni, katera arhitektura ojačevalnika je najprimernejša za določeno aplikacijo.
Arhitekture natančnih operacijskih ojačevalnikov
2011_SE185_9
