Table of Contents

Почему Rail-to-Rail Op Amps имеет значение в мире, работающем от батареи

Электроника с батарейным питанием коренным образом изменила персональные, медицинские и промышленные технологии. От беспроводных наушников, которые отслеживают биометрию, до удаленных датчиков окружающей среды, которые работают без присмотра в течение многих лет, каждое устройство имеет общее ограничение: ограниченный энергетический бюджет. В аналоговой сигнальной цепи операционные усилители (op amps) часто потребляют значительную часть этого бюджета, в то время как выводятся датчики кондиционирования, фильтруют шум или приводят в движение аналоговые-цифровые преобразователи (ADCs). Однако традиционные усилители оптического напряжения борются, когда напряжение питания опускается к концу кривой разряда батареи. Их диапазоны входного и выходного напряжения обычно падают на несколько сотен милливольт от силовых рельсов, заставляя дизайнеров либо принимать потерянный динамический диапазон, либо добавлять преобразователи повышения, которые тратят пространство и энергию. Операционные усилители Rail-to-rail устраняют этот компромисс, позволяя извлекать почти полный качели напряжения из угасающей батареи и упрощать управление питанием. Понимание того, как эти усилители достигают такой производительности, и где

Что такое операционный усилитель Rail-to-Rail?

Любой операционный усилитель имеет заданный диапазон входного напряжения общего режима и качание выходного напряжения. В обычном усилителе, питаемом одним источником 3.3 В, входная стадия может надежно функционировать только между 0,5 В и 2.8 В, а выход может сжиматься на 0.3 В над землей и 0.4 В ниже V]CC. op усилитель рельса-рельса толкает эти пределы в пределах нескольких десятков милливольт каждого рельса питания - иногда до нескольких милливольт - поэтому полезный диапазон резко расширяется. Достижение этого требует тщательной конструкции кремния как на входной, так и на выходной стадиях, часто используя дополнительные пары MOSFET и передовые методы смещения.

Топология входного этапа

На этапах ввода железной дороги в рельсы обычно используются две комплементарные дифференциальные пары параллельно: одна построена с помощью MOSFET P-канала для обработки сигналов вблизи положительной рельсы, а другая с N-канальными MOSFET для сигналов вблизи земли. Усилитель плавно переходит между двумя парами, поскольку напряжение общего режима пересекает порог около середины подачи. Этот метод, описанный в прикладных примечаниях, таких как Максим's Rail-to-Rail Output Op Amps tutorial, позволяет устройству принимать входные сигналы от отрицательной рельсы питания вплоть до положительной рельсы. Однако область перехода может вводить небольшое прекращение в офсетном напряжении и токе смещения. Современные конструкции используют методы офсетного обнуления и токоуправления, чтобы минимизировать этот эффект, давая входные стадии, которые являются одновременно широкими и точными. Некоторые продвинутые конструкции используют одну дифференциальную пару со сложенной топологией кода, чтобы полностью избежать артефактов кроссовера, достигая входного шум

Инновации на стадии вывода

Производительность выхода рельса в рельс обычно зависит от выходной стадии с общим источником (или общим эмиттером), а не от традиционной конфигурации эмиттер-последователь. При смещении выходных транзисторов, чтобы они могли тянуть почти весь путь к рельсам, и с помощью внутренних цепей заряда-насоса или методов бутстрапа для управления напряжением затвора / базы за пределы подачи, дизайнеры достигают выходных колебаний в пределах 10-50 мВ от рельсов. Это особенно ценно при движении ADC с полномасштабными входными диапазонами, соответствующими напряжению питания. Без возможности рельса-рельса драгоценный аналоговый запас расходуется впустую, уменьшая эффективное разрешение системы измерения. Например, 12-битный ADC с эталоном 3,3 В теряет один наименее значимый бит (LSB) на каждые 0,8 мВ потерянного запаса головки - быстро ухудшая SNR в приложениях с высоким разрешением - новые устройства используют выходные стадии с толкающим тягой, которые обеспечивают более высокий ток при сохранении качения в пределах 5 мВ рельсов при легких нагрузках.

Почему аккумуляторные батареи зависят от усилителей

Портативная электроника редко пользуется роскошью стабильного, регулируемого высоковольтного питания. Например, один литий-ионный элемент начинает свой цикл разряда около 4,2 В и может считаться истощенным при 3,0 В. В этом диапазоне аналоговый фронтенд должен оставаться линейным и обеспечивать значимую амплитуду сигнала. Амперы Rail-to-rail op решают три одновременные задачи:

  1. Распределение в конце срока службы.] По мере того, как напряжение батареи провисает, обычные усилители теряют выходной качели, что может вызвать зажим сигнала или вызвать преждевременное отключение. Усилитель с рельсовой операцией поддерживает полезный выход вплоть до последнего полезного милливольта заряда батареи, продлевая срок службы системы до 20% в некоторых случаях.
  2. Простота одноподводного механизма.] Генерация отрицательной рельсовой системы или усиленного питания потребляет площадь платы и понижающийся ток. Работая от одной низковольтной рельсовой системы, усилитель устраняет необходимость в дополнительном преобразователе постоянного тока, снижая стоимость БОМ и мощность в режиме ожидания. Это упрощение также снижает излучаемый EMI, критический фактор в медицинских и носимых устройствах.
  3. Прямое взаимодействие ADC. Многие современные маломощные ADC принимают сигналы ввода от рельса к рельсу. Соответствие выходного качения усилителя входному интервалу преобразователя улучшает отношение сигнала к шуму (SNR) и избегает необходимости переключения уровня или усиления блоков, которые добавляют шум и ток. В типичной системе 1,8 В, использование усилителя от рельса к рельсу может восстановить до 0,6 В динамического диапазона по сравнению с обычным устройством.

Ключевые преимущества производительности в портативных дизайнах

Расширенное время работы батареи

Энергоэффективность в операционном усилителе заключается не только в токе питания на листе данных; она также охватывает то, насколько эффективно усилитель использует доступное напряжение питания. Традиционные усилители напряжения питания требуют минимального запаса напряжения питания - суммы напряжений насыщения выхода - часто превышающих 1 В. Система, питаемая ячейкой монеты 3 В, может потерять 30% от диапазона напряжения, заставляя дизайнера добавлять усилитель напряжения, работающий на 1,8 В, может поворачивать свою мощность в пределах 50 мВ от каждой рельсы, восстанавливая этот запас и позволяя прямую работу батареи без регулятора переключения. Как объясняет статья Аналогового диалога [FLT: 1], это восстановление потерянного напряжения напрямую приводит к увеличению времени работы батареи, потому что схема может продолжать функционировать как разряд батареи к более низким напряжениям. На практике это может означать дополнительное 10-20% время работы для данной емкости батареи, в зависимости от кривой разряда. Для датчиков всегда-на-рельсах, используя полумикроамп покоящийся ток (например, 500 нА) дополнительно продлевает срок службы батареи при сохранении целостности сигнала.

Более широкий динамический диапазон и более высокая точность сигнала

В низковольтных системах учитывается каждый децибель динамического диапазона. Датчику, производящему выход 0-1,2 В, который должен быть усилен усилением двух для ADC 3 В, нужен усилитель, который может качаться до 2,4 В. Обычный усилитель на подаче 3 В может сжиматься при 2,5 В, оставляя нулевой запас; усилитель с рельсом на рельсы может достичь полного качения 2,4 В, сохраняя максимальную амплитуду 2,4 В, сохраняя точность измерения и более четкое воспроизведение звука в портативных устройствах среды. В носимых мониторах здоровья, которые обнаруживают тонкие сигналы фотоплетизмограммы (PPG), дополнительный запасной план непосредственно улучшает полезный диапазон алгоритма сердечного ритма при условиях светодиода низкой яркости. Искажения артефактов также уменьшаются, потому что усилитель остается в своей линейной области через большую часть подачи. Для аудио приложений, этапы вывода с рельсом на рельсы с THD + N ниже 0,001% при 1 кГц обеспечивают прозрачное воспроизведение звука даже при низких уровнях батареи.

Упрощенная и маломощная архитектура

Устранение отрицательного питания или стадии усиления удаляет не только IC преобразователя, но и связанные с ним индукторы, конденсаторы и маршрутизацию ПХД. Экономия пространства особенно ценна в слуховых аппаратах, истинных беспроводных стерео (TWS) наушниках и имплантируемых медицинских устройствах, где площадь платы измеряется в квадратных миллиметрах. Однопоставочный усилитель с рельсовым приводом позволяет питать всю аналоговые сигнальные цепи непосредственно от батареи, упрощая компоновку и понижая EMI, потому что нет регулятора переключения. Это также уменьшает похолодание тока; многие современные усилители с рельсовым приводом потребляют всего 500 нА тока питания, что делает их идеальными для постоянного мониторинга датчиков. Например, Texas Instruments OPA369 работает от источника 1,8 В при рисовании только 1 мкА и обеспечении непрерывного ввода и вывода из рельсов, идеально подходящих для непрерывных мониторов глюкозы и носимых патчей ЭКГ. В ограниченных по пространству конструкциях пакеты, такие как SC-70 (2,1 мм

Улучшенная точность сенсорных интерфейсов

Многие датчики — термопары, мосты давления и электрохимические элементы — производят небольшие дифференциальные напряжения, наложенные на уровень общего режима, которые могут сидеть рядом с землей или рельсом питания. Стадия ввода от рельса к рельсу точно считывает эти сигналы без скачков напряжения смещения, которые могут произойти, когда насыщена входная пара обычного усилителя. Инструменты, которые должны поддерживать точность в широком диапазоне напряжения батареи, таком как портативные детекторы газа или глюкозы крови, полагаются на это линейное поведение. Ток смещения входа усилителя также остается хорошо контролируемым во всем диапазоне общего режима, предотвращая ошибки измерения, которые могут поставить под угрозу критически важные показания безопасности. Кроме того, низкий смещенный дрейф современных усилителей рельса к рельсам — часто ниже 5 мкВ / ° C — обеспечивает стабильную производительность по колебаниям температуры, распространенным в носимых устройствах. Для высокоточных применений ищите усилители с нулевой пересекающей топологией для поддержания плоских характеристик смещения и шума во всем диапазоне общего режима.

Практические соображения дизайна и торговые операции

В то время как усилители op от рельса до рельса дают явные преимущества, инженеры должны ориентироваться в нескольких нюансах конструкции, чтобы извлечь максимальную производительность. Понимание этих компромиссов предотвращает неприятные сюрпризы во время прототипирования и обеспечивает надежную работу в полном диапазоне разряда батареи.

Кроссовер Distortion и Footroom

На выходных стадиях, использующих комплементарные транзисторы, небольшая «мертвая зона» может появляться вблизи середины качения, хотя современные конструкции минимизируют это через смещение класса-AB. Кроме того, в то время как выход может качаться близко к рельсам, приводя тяжелые нагрузки, уменьшает последние несколько десятков милливольт качения. Дизайнеры должны рассмотреть выходное напряжение таблицы данных по сравнению с кривыми тока нагрузки и выделить реалистичные края заднего прохода. Типичное эмпирическое правило заключается в том, чтобы оставлять 100 мВ от каждой рельсы при движении груза 10 кОм, чтобы избежать нелинейности. Для нагрузок ниже 1 кОм, рассмотрите возможность использования усилителя с выходной стадией толкания, которая обеспечивает более высокую способность тока при сохранении качания рельса-рельса. Некоторые устройства также включают режим отключения, который уменьшает похолодание тока до наноамперов, что полезно для периодической работы.

Вводимые переменные тока и шума

Стадии ввода в рельсы, которые переключаются между комплементарными парами, могут демонстрировать небольшое увеличение шума или напряжения смещения входа вблизи области кроссовера. Для чувствительных к шуму приложений, таких как аудиоусилители или датчики высокого давления, выберите усилители с плотно подобранными парами ввода или те, которые помечены как «вход в рельсы, нулевой кроссовер», чтобы поддерживать плоский профиль шума. Все о анализах схем диапазона общего режима демонстрирует, как архитектура этапа ввода непосредственно влияет на эти параметры. Некоторые более новые устройства используют одну дифференциальную пару со сложенной топологией кода, которая полностью исключает артефакты кроссовера, предлагая пол шума до 10 нВ / ГГц при 1 кГц. Эти части идеально подходят для интерфейсов прецизионных датчиков, где целостность сигнала имеет первостепенное значение.

Стабильность и ограничения на рост

Некоторые этапы выхода рельсов на рельсы имеют более высокое импеданс выхода в определенных областях работы, которые могут взаимодействовать с емкостными нагрузками, чтобы вызвать колебания. Всегда проверяйте стабильность с намеченной нагрузкой с использованием фазовых маржинальных участков производителя. В портативном аудио, где драйвер наушников должен доставлять качание напряжения рельса на рельсы в нагрузку низкого давления, специализированный усилитель рельсов на рельсы с высокой скоростью разряда (> 5 В / мкс) и привод емкостной нагрузки предпочтительнее, чем общее устройство. Также учитывайте полосу пропускания усиления; для конструкций с питанием от батареи, выбор полосы пропускания, достаточной для сигнала, снижает потребление энергии и смягчает высокочастотный шум. Например, усилитель GBW 1 МГц обычно адекватен для приложений аудио и низкочастотных датчиков, в то время как более высокие полосы пропускания могут потребоваться для быстрых драйверов ADC или видеосигналов.

Термические соображения

В компактных носимых конструкциях тепловыделение вызывает растущую озабоченность. Амперы срабатывания от железной дороги до рельсов, работающие при 1,8 В с низким похолоданием, обычно генерируют минимальное самонагрев, но при движении тяжелых грузов при повышенных температурах температура отмирания может повышаться и смещать напряжение смещения. Всегда проверяйте тепловое отключение и изгибы датчиков в таблице данных. Для высоконадежных медицинских устройств выберите усилители с диапазоном выдержки от -40 °C до +125 °C, которые гарантируют эффективность от рельса до рельса. Кроме того, обеспечивайте надлежащее управление температурой с помощью открытых пакетов прокладок, где доступны и маршрутизация рассеивающих тепло медных плоскостей на ПХБ.

Приложения в портативном спектре

Смартфоны, планшеты и носимые устройства

Современные смартфоны интегрируют десятки операционных усилителей для аудиокодеков, тактильных драйверов и сенсорных усилителей. Усилители Rail-to-rail позволяют этим функциям работать непосредственно от 3,7-вольтового рельса батареи, даже когда он падает до 3,0 В. В умных часах, которые измеряют частоту сердечных сокращений и кислород крови, усилитель трансимпеданса фотодиода должен поддерживать линейность на однозначных уровнях милливольта, где входной диапазон общего режима напрямую касается земли. Способность ввода Rail-to-rail гарантирует, что преобразование тока в напряжение остается точным без отрицательного питания. Кроме того, небольшие размеры пакета, такие как SC-70 или масштаб чипа уровня пластины, делают эти усилители идеальными для носимых устройств с ограниченным пространством. В планшетах, усилители Rail-to-rail улучшают громкость и четкость аудиовыхода, приводя наушники с полным размахом подачи.

Медицинские и фитнес-носимые

Электрокардиограмма с батарейным питанием (ЭКГ) пластыри, непрерывные глюкометры и импульсные оксиметры требуют аналоговых фронтендов с низким энергопотреблением, которые могут извлекать биопотенциальные сигналы из шумной среды. Амперы с рамками от рельса до рельса позволяют конструкции использовать одну ячейку монеты 1,8 В или 3 В, сохраняя устройство маленьким и удобным. Избегая регуляторов переключения, система также излучает меньше излучаемого шума, что может ухудшить SNR чувствительных аналоговых входов. Низкий ток питания современных усилителей от рельса до рельса - часто ниже 1 мкА - позволяет недели непрерывной работы на одном заряде. Например, MAX9910 от Maxim интегрирует усилитель ввода / вывода от рельса до рельса с отключающим штифтом, который уменьшает ток до 10 нА, идеально подходит для периодических циклов измерения в слуховых аппаратах. В ЭКГ-патчи, комбинация работы от рельса до рельса и низкий шум 1/f обеспечивает чистое обнаружение комплексов PQRS

Узлы беспроводных датчиков и конечные точки IoT

В точном сельском хозяйстве или интеллектуальных строительных приложениях узлы датчиков с питанием от батареи должны несколько раз в час пробовать данные об окружающей среде, а затем возвращаться в сон. Аналоговые сигнальные цепи, включая усилитель op, часто работают только в течение миллисекунд за цикл, поэтому их ток отключения и время пробуждения имеют решающее значение. Многие усилители отключения до рельсов обеспечивают выводной штифт, который уменьшает похолодание тока до нескольких наноамперов и просыпается в микросекундах, непосредственно обращаясь к этому случаю использования. Запустив весь аналоговый путь от одной литий-тионилхлоридной батареи 3 В, узел может оставаться развернутым в течение более десяти лет без обслуживания. Усовершенствованные узлы также используют усилители от рельса до рельса с интегрированными фильтрами для уменьшения количества компонентов в сигнальной цепи. Например, ADA4500-2 от аналоговых устройств предлагает поперечный ток от рельса до рельса, нулевой кроссовер и 1,5 мкА похолодания на канал - идеально подходит для обнаружения газа и мониторинга температуры.

Портативный аудио и мультимедиа

Усилители наушников в портативных медиаплеерах должны доставлять качели напряжения, которые приближаются к обоим рельсам питания, чтобы управлять наушниками высокого давления без обрезки. На выходной стадии рельс-рельс производит более громкий, чистый звук от источника низкого напряжения. В шумоотключающих наушниках предусилитель микрофона обуславливает внешний микрофонный сигнал, который находится в напряжении общего режима вблизи земли; вход рельса-рельса предотвращает защелкивание или искажение, обеспечивая постоянную производительность шумоподавления во время разряда батареи. Для профессиональных полевых регистраторов усилители рельс-рельс с низким общим гармоническим искажением (THD + N ниже 0,001%) поддерживают целостность сигнала даже при низких уровнях батареи. Многие современные аудиокодеки используют усилители рельса-рельса внутри чипа для достижения высокого динамического диапазона без внешних компонентов.

Правильный выбор Rail-to-Rail Op Amp: краткое руководство

С сотнями ампер на рынке, фокусировка на нескольких ключевых спецификациях помогает сузить выбор для конструкций с батарейным питанием:

  • Диапазон напряжения подачи и похолодание.] Ищите минимальное напряжение питания по меньшей мере на 0,3 В ниже самого низкого ожидаемого напряжения батареи. Для постоянно включенных датчиков выберите устройства с 500 нА или менее похолоданием тока на канал. Некоторые детали сверхнизкой мощности работают до 0,9 В, что позволяет работать от одной щелочной ячейки.
  • Входной диапазон общего режима (включая наземный). Убедитесь, что входная стадия может обрабатывать нулевой вольт общего режима, если датчик ссылается на землю. Истинные входы рельса-рельса указаны для включения отрицательного питания. Проверьте производительность кроссовера, если сигнал охватывает весь диапазон общего режима.
  • Кривые таблицы показывают, насколько близко выход может подойти к рельсам для данного сопротивления нагрузки. Цель меньше 100 мВ для максимального динамического диапазона. Для нагрузок ниже 2 кОм отдают приоритет частям с высоким выходным качанием при низком напряжении питания.
  • Связь и скорость разряда. Обеспечить, чтобы продукт с пропускной способностью и скоростью разряда поддерживал частоту и амплитуду сигнала. Чрезмерно заданная пропускная способность расходует энергию. 1 МГц ГБВ обычно достаточно для аудио и низкочастотных датчиков.
  • Шум и напряжение смещения. Для сенсорных приложений низкий шум 1/f и низкий дрейф смещения по температуре часто более важны, чем сверхширокая полоса пропускания. Ищите шум входного напряжения ниже 20 нВ/Гц при 1 кГц и напряжение смещения при 1 мВ.
  • Упаковка и площадь.] В носимых устройствах крошечные пакеты, такие как SC-70 (2,1 мм x 2,0 мм) или чип-масштаб (0,8 мм x 0,8 мм), экономят критическое пространство на плате. Убедитесь, что тепловая панель или открытая площадка правильно маршрутизированы для рассеивания тепла.

Что дальше: новые тенденции в низковольтном аналоговом дизайне

Эволюция технологии батарей и радиопротоколов сверхнизкой мощности подталкивает аналоговые компоненты к еще более низким рабочим напряжениям. Сегодня амперы с рельсовым усилителем, которые функционируют при 0,9 В, уже отбирают пробы, нацеливаясь на энергосберегающие приложения. Одноклеточные щелочные или серебристо-оксидные батареи, которые работают при 0,9 В, могут питать весь сенсорный узел без усилителя, благодаря этим новым усилителям. Интеграция амперов с рельсовым усилителем с микроконтроллерами и ADC в одном пакете также снижает площадь и паразитную емкость. Такие компании, как Texas Instruments и STMicroelectronics, поставляют решения с использованием системы в упаковке (SiP) с несколькими амперами с рельсовым усилителем (FLT:0) .Применение прикладной заметки Texas Instruments по использованию ампера с одним поставкой ] подчеркивает, что производственные достижения продолжают сокращать необходимый запас, что делает завтрашние проекты более эффективными, что приводит к росту спроса на амперы

Заключение

Операционные усилители Rail-to-rail выросли из нишевого решения в основополагающий строительный блок для электроники с батарейным питанием. Их способность принимать и доставлять сигналы, которые разблокируют почти полное напряжение питания, упрощают управление мощностью и повышают аналоговую производительность в компактных устройствах. В то время как требуется тщательное внимание к искажению кроссовера, шуму и эффектам нагрузки, конструктивные компромиссы хорошо понятны и легко управляются с современными компонентами. Поскольку портативные и носимые устройства умножаются в потребительских, медицинских и промышленных областях, амперы op Rail-to-rail будут продолжать сидеть в центре энергоэффективной аналоговой конструкции, выжимая каждый последний электрон из батареи для обеспечения функциональности, которую требуют пользователи. Понимая преимущества и практические ограничения этих универсальных устройств, инженеры могут уверенно создавать следующее поколение долговечных, высокоточных портативных продуктов.