Операционный усилитель TSU111 от ST Microelectronics представляет собой очень точный ОУ с отличными параметрами, который к тому же потребляет очень малый ток – менее 1 мкА, благодаря чему относится к разряду «наномощных». Типичного пуговичного элемента CR2032 хватает на 25 лет бесперебойной работы чипа!
TSU111 предназначен для работы в устройствах с батарейным питанием, в которых используются различные типы датчиков, требующих преобразования аналогового сигнала. Например операция, которая регулирует уровни напряжения, сопротивление датчика, стандартизирует уровни напряжения, компенсирует нелинейность, смещения, линеаризует характеристики – это схема, которая настраивает датчик температуры в виде термопары или терморезистора для взаимодействия с аналого-цифровым преобразователем в микроконтроллере. Для таких задач используются прецизионные операционные усилители, которые можно рассматривать как посредника между аналоговым и цифровым миром.
Обратите внимание, что датчик все время находится под напряжением. В то время как микроконтроллер можно перевести в спящий режим и время от времени пробуждать для считывания данных, схема датчика должна быть активна все время. Поэтому энергопотребление здесь является очень важным фактором, особенно в приложениях IoT и распределенных измерительных системах.
ОУ TSU111 использует от источника питания всего 900 нА при температуре 25°С, что немного больше, чем у предшественника TSU101, который довольствуется током 580 нА, но новая версия имеет значительно меньшее входное напряжение смещения (Vio) — всего 150 мкВ, а у предшественника было целых 3 мВ. Это означает лучшие параметры и отсутствие необходимости делать дополнительные схемы компенсации, которые также потребляют некоторую мощность.
В идеальном варианте аналоговый сигнал от датчика усиливается операционным усилителем без обратной связи с нулевым коэффициентом усиления, а нулевой вход равен нулю на выходе. Но на практике при прохождении сигнала через реальный усилитель возникают ошибки и выходное напряжение отличается от нуля при входе, находящемся под этим потенциалом. Другими словами, чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем менее точен усилитель. Это свойство характеризуется входным неравновесным напряжением, которое чем меньше – тем лучше.
Еще одним важным параметром является диапазон питающих напряжений, который для этого чипа составляет от 1,5 до 5,5 В. Этот диапазон достаточно широк, чтобы его можно было запитать от любой отдельной батарейки. Низкое энергопотребление также позволяет создавать схемы с 2…4 усилителями без особого влияния на время работы от батарей, примером чего служат сигнализаторы обнаружения газа CO, H2S и им подобные.
Другим важным параметром является производительность от сети к сети, так что выходное напряжение равно напряжению питания, поэтому оно уходит на землю и Vcc. В случае маломощных усилителей такая работа не всегда возможна, и это важно, ведь если хотим запитать датчик, усилитель и микроконтроллер одним напряжением и от одной батарейки, то логично что можно обрабатывать весь диапазон напряжений. В случае TSU111, выполненного по КМОП-технологии, на выходе работает пара транзисторов PMOS и NMOS, а диапазон выходных напряжений составляет Vcc -0,1 В и Vee +0,1 В.
Также стоит отметить, что TSU111 имеет параметр, определяемый как произведение коэффициента усиления и частоты среза (обычно обозначаемый как GBW от англ. gain-bandwidth product) на уровне 11,5 кГц. От этого параметра зависит верхняя предельная частота практического усилителя при определенном коэффициенте усиления. Это больше чем 8 кГц, доступные с TSU101.
Тем более операционный усилитель способен передавать сигналы высокой частоты и со значительным усилением. Примером того где это очень важно, является измерительная схема с фотодиодом, где усилитель работает с высоким коэффициентом усиления как преобразователь тока в напряжение. Высокий параметр GBW позволяет быстро реагировать на события освещения.
Точность также обеспечивается малым током поляризации, всего 10 пА, что позволяет использовать TSU111 в схемах с датчиками высокого сопротивления, а также низким уровнем шума – всего 3,6 мкВ(пик-пик) в диапазоне 0,1-10 Гц, что для наноэнергосистемы очень хорошее значение. Напоследок стоит добавить, что операционный усилитель довольно быстро выходит из состояния насыщения — всего 630 мкс.
Наноэлектрические устройства
Для достижения хорошей производительности в устройствах с очень низким энергопотреблением требуется множество конструктивных аспектов. Чем меньше потребляемая мощность и чем больше сопротивление в цепях датчика, тем больше восприимчивость к электромагнитным помехам и электростатическим разрядам. TSU111 имеет расширенные схемы защиты от электростатического разряда до 4 кВ.
Но для обеспечения хорошей стойкости к электромагнитным помехам требуется блокировка вводов заземления керамическими конденсаторами емкостью 22 пФ. Стоит отметить, что многие электролитические конденсаторы имеют больший ток утечки, чем питающие TSU111, и в таких схемах не следует использовать алюминиевые электролитические конденсаторы. Точно так же и высокоомные резисторы используемые для построения делителей и элементов обратной связи должны иметь высокое сопротивление, чтобы не увеличивать ток.
Кстати, типичный резистор 100 кОм является источником шума 40 нВ/vГц. Чем больше сопротивление – тем больше шум, а это значит найти компромисс непросто. Следы на печатной плате, особенно плотно собранные, также могут быть источником утечки, вызванной грязью и влагой.
Поэтому печатные схемы устройств нанопитания должны быть покрыты лаком, а входы дополнительно окружены защитными кольцами из меди с тем же потенциалом, что и вход, чтобы предотвратить протекание тока утечки.