RmJ6oqBKgl

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Современная элементная база радиоэлектроники» предполагает изучение основных радиоэлектронных компонентов существующей номенклатуры и особенностей изделий ведущих мировых производителей. Для этого формулируются основные принципы выбора элементной базы перспективных разработок, рассматривается связь между техническими характеристиками компонентов различного применения с их стоимостными и габаритными параметрами. Большое внимание уделяется процедуре практического выбора и приобретения современных компонентов, используемых для контроля состояния объектов

Для обоснованного выбора комплектующих рассматривается связь требуемых технических характеристик элементов проектируемой аппаратуры с номенклатурой современных производителей компонентов, с ценовыми показателями для различных условий применения и возможностями поставщиков на отечественном рынке.

Особое внимание уделяется правилам выбора элементной базы для интегральных датчиков физических величин и микросхем сбора и обработки данных в тяжелых условиях работы проектируемой аппаратуры.

Классы аппаратуры

Аппаратура может быть разделена на классы в зависимости от условий ее использования и назначения.

Военная и космическая аппаратура – класс Milimarу (MIL-STD-973). В этой аппаратуре используются наиболее надежные компоненты, работающие в самом широком диапазоне температур от –55 до +125 ° С. При выборе элементной базы необходимо в первую очередь руководствоваться обеспечением функциональных параметров и ритмичностью поставок, а стоимость и размеры имеют вторичное значение.

Специальная аппаратура – класс Automotive. В зависимости от назначения аппаратуры выбираются отдельные наиболее важные функциональные показатели (например, для автомобильной электроники – это температурный диапазон от –40 до +105 ° С) и ритмичность поставок; требования к габаритным размерам не обязательны, но желательна их минимизация. Стоимость компонентов невелика в общей стоимости изделий, поэтому жестких требований к их цене нет.

Аппаратура для промышленного применения – класс Industrial. Это наиболее широкий класс электронных компонентов. Используемая в этом классе комплектация имеет температурный диапазон от –40 до +85 ° С и должна сочетать функциональную полноту, компактность и относительно небольшую стоимость.

3

Бытовая аппаратура. В этом классе наиболее сильна конкуренция между производителями в борьбе за потребителя. Потребителями выступают как юридические, так и физические лица, поэтому при выборе элементной базы основное требование – минимальная стоимость при обеспечении функциональности – только на уровне технических требований. Минимальный температурный диапазон от 0 до +70 ° С и жесткие требования к минимизации размеров и возможности массового производства.

Этапы выбора элементов

Первоначально определяется круг фирм, специализирующихся на изготовлении требуемых компонентов из числа ведущих мировых производителей.

По требованиям технического задания определяются компоненты, имеющие минимальные отпускные цены фирмы-изготовителя. При выборе компонентов необходимо учитывать класс аппаратуры и тип корпуса.

Используя Интернет-ресурсы для поиска электронных компонентов

(www.chipfind.ru, www.efind.ru, www.einfo.ru) по минимальным ценам и срокам до-

ставки, определяются фирмы-поставщики.

На сайтах выбранных фирм-поставщиков уточняются цены и сроки поставки компонентов.

1. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционные усилители относятся к основным компонентам современных аналоговых устройств и представляют наиболее широкий спектр микросхем ведущих мировых производителей. При выборе операционного усилителя следует принимать к рассмотрению определенный перечень его параметров.

Производители. В мире существует очень много фирм-производителей электронных компонентов, имеющих в своей номенклатуре операционные усилители, в том числе, и общего применения. Наиболее широкий спектр предлагаемых опера-

4

ционных усилителей имеют фирмы «Analog Devices» (www.analog.com), «Texas In-

struments» (www.ti.com), «Maxim Integrated Products» (www.maxim-ic.com), «National Semiconductor» (www.national.com) и «Linear Technology» (www.linear.com).

Напряжение смещения – это напряжение, которое необходимо приложить к неинвертирующему входу для получения нулевого выходного сигнала. Приводится в справочной информации в мВ или мкВ. Чем меньше допустимое напряжение смещения, тем более точным считается операционный усилитель. Этот параметр является основным при классификации усилителей общего применения (с относительно большими напряжениями смещения) и прецизионных (с малыми напряжениями смещения). Косвенно этот параметр обратно пропорционально связан со стоимостью микросхемы: чем больше смещение, тем ниже стоимость.

Дрейф напряжение смещения. Параметр отражает температурную зависимость напряжения смещения и всего усилителя. Параметр обязательный для прецизионных усилителей; в справочниках приводится в мкВ/° С и косвенно определяет температурный диапазон разрабатываемой аппаратуры.

Входной ток. Параметр задает максимально возможный ток по входам операционного усилителя, определяет его минимальное входное сопротивление. Чем выше входное сопротивление, тем более высокоомную схему можно построить на базе усилителя. Все усилители делятся на приборы общего применения (единицы мкА), с малыми входными токами (единицы нА), со сверх малыми входными токами (единицы пА) и специальные измерительные усилители (фА). Этот параметр влияет на стоимость микросхемы и определяет область ее применения.

Коэффициент подавления синфазной составляющей. Этот параметр пока-

зывает, насколько идеально выполняется операционным усилителем функция вычитания входных сигналов. При подаче на два входа усилителя одинакового (синфазного) сигнала на выходе должен быть нулевой сигнал (идеальное вычитание). Максимальный уровень выходного сигнала относительно входного для реального усилителя определяет коэффициент подавления синфазной составляющей. Чем больше коэффициент подавления, тем выше соответствие реального процесса усиления идеальному представлению. Этот параметр является определяющим при подборе прецизионных усилителей.

Выходной ток. Максимальный выходной ток операционного усилителя характеризует его нагрузочную способность. Превышение этого параметра может вызвать выход из строя микросхемы, поэтому многие из них имеют специальную защиту от перегрузки или от короткого замыкания на выходе. По этому параметру усилители можно разделить на маломощные, стандартные и усилители повышенной мощности.

Выходное напряжение. Этот параметр характеризует максимальный размах выходного сигнала при фиксированном напряжении питания. Обычно в справоч-

5

ной информации приводится разница максимального выходного сигнала и напряжения питания. В общем случае эта разница может достигать нескольких вольт, однако для специальных применений разработан специальный класс усилителей Rail-to-Rail с минимальной (несколько мВ) разницей.

Ток потребления. При проектировании энергосберегающей аппаратуры, например, с батарейным или аккумуляторным питанием, как правило, выбираются операционные усилители с малыми (сотни мкА) или сверх малыми (десятки мкА) токами потребления. В справочной литературе параметры тока потребления обычно приводятся для одного операционного усилителя даже в микросхемах с несколькими усилителями в одном корпусе.

Напряжение питания. Современные операционные усилители значительно различаются по допустимому напряжению питания. Допустимое напряжение питание высоковольтных усилителей может превышать 40 В, а для низковольтных– не более 5,5 В. В то же время производители ограничивают минимальное напряжение, при котором усилитель сохраняет работоспособность. Самое низкое напряжение питания у низковольтных усилителей: современный уровень составляет 1,8 В.

Полоса пропускания. Точность повторения формы входного сигнала на выходе усилителя во многом определяется уровнем линейных искажений, возникающих в усилительном тракте. Операционные усилители по частотным свойствам можно считать усилителями постоянного тока с граничной полосой пропускания, определяемой производителем. В справочной литературе полоса пропускания задается для схемы на базе операционного усилителя с единичным усилением. При использовании схем с большим усилением полоса пропускания уменьшается пропорционально усилению. Все операционные усилители делятся на УПТ (усилители постоянного тока с малыми полосами пропускания), общего применения и широкополосные. Выбор типа усилителя по частотным свойствам проводится на основе анализа спектра входного сигнала.

Скорость нарастания выходного сигнала. Этот параметр определяет быст-

родействие усилителя, что особенно важно при усилении импульсных сигналов. Скорость нарастания выходного сигнала показывает, насколько быстро может увеличиваться выходное напряжение при наличии перепада на входе усилителя. Параметр задается в В/мкс.

Уровень шума. Шумы операционных усилителей могут характеризоваться уровнем в полосе от 0,1 до 10 Гц, выраженным в виде шумового напряжения в мкВ или шумового тока – в пА. Кроме этого, шум конкретного усилителя может характеризоваться его спектральной плотностью на частотах 10, 100 и 1000 Гц, выраженной в нВ/ Гц или пА/ Гц . Этот параметр может быть основным при проектировании входных каскадов устройств высокой чувствительности.

6

Рабочий диапазон температур операционных усилителей в основном рассчитан на класс разрабатываемой аппаратуры: класс Milimarу от –55 до +125 ° С,

класс Automotive от –40 до +105 ° С, класс Industrial от –40 до +85 ° С. Такое пред-

ставление условно, например: есть микросхемы класса Automotive, имеющие диапазон от –40 до +125 ° С. Важным параметром аппаратуры, обязательным для указания в технических условиях эксплуатации и косвенно связанным с рабочим диапазоном температур, является температура хранения.

Тип корпуса. Выбор типа корпуса операционного усилителя во многом определяется классом и назначением разрабатываемой аппаратуры. Кроме того, необходимо учитывать технологию производства и возможности настройки электронных плат в конкретной фирме. Именно тип корпуса во многом будет определять массогабаритные размеры будущей аппаратуры. Хотя каждый производитель имеет свою спецификацию корпусов микросхем, можно рассмотреть основные типы.

Типы корпуса микросхем, предназначенных для военных и аэрокосмических приборов, как правило, выполнены либо из металла, например, TO99, либо являются керамическими вариантами корпуса DIP – CerDIP. Такие корпуса имеют самую большую стоимость, но их использование оправдано общей большой стоимостью микросхем такого типа.

Корпус типа DIP. Имеет очень большое (2,54 мм) расстояние между выводами, поэтому широко использовался в прошлом, когда технология монтажа микросхем была несовершенной. Не рекомендуется для современных разработок, кроме варианта CerDIP для применения в военных и аэрокосмических приборах.

Корпус типа SOIC. Дешевый пластмассовый корпус с расстоянием между выводами 1,27 мм. Очень прост в монтаже, что особенно важно при мелкосерийном производстве аппаратуры. Продажа микросхем в таких корпусах осуществляется как мелким и крупным оптом, так и в единичных экземплярах. В сочетании с низкой стоимостью этот тип корпусов считается одним из основных при производстве относительно дешевой аппаратуры.

Корпус типа SOT23-5. Пятивыводный пластмассовый корпус с расстоянием между выводами 0,95 мм, позволяющий выполнять монтаж микросхем вручную, без использования монтажных автоматов. Корпус имеет минимальный размер и все выводы функциональны (нет свободных). Аппаратура, построенная с применением таких корпусов, имеет минимальные размеры, поэтому производители выпустили более компактный вариант корпуса SC-70 c расстоянием между выводами 0,67 мм. К недостаткам использования следует отнести продажу микросхем только в ленточной упаковке, а при штучной покупке требуется желание поставщика разбивать упаковки.

Корпус типа LFCSP – пластмассовый корпус с расстоянием между выводами 0,5 мм, что определяет потребность использования монтажных автоматов при про-

7

изводстве. Минимальные размеры корпуса и выводы во все четыре стороны предопределяют очень плотный монтаж, а значит, и аппаратуру минимальных размеров. Однако использование микросхем в этих корпусах ограничивается крупносерийным производством, поскольку приобретение микросхем малыми партиями затруднительно.

Таблица 1

Поставщики. Минимальные цены и наиболее широкий выбор операционных усилителей предлагают со своих складов крупные поставщики, представленные в табл. 1.

1.1. Операционные усилители общего применения

Простейшие схемы без каких-либо особых требований к характеристикам строятся на операционных усилителях общего применения. Процедура выбора микросхемы имеет определенную последовательность.

1.Выбираются микросхемы, имеющие допустимое напряжение питания больше, чем предполагаемое питание в разрабатываемой аппаратуре.

2.Оценив требования к энергопотреблению, можно сузить зону выбора. Например, если требуется, можно выбрать усилитель с малым током потребления, но необходимо учитывать, что это может привести к удорожанию выбора.

3.Выбираются микросхемы, имеющие полосу пропускания при заданном усилении значительно больше требуемой. Значительное превышение связано с возможным наличием дополнительных частотозадающих звеньев в схеме. Чтобы частотными искажениями операционного усилителя можно было пренебречь, подбираются усилители более широкополосные, чем требует разрабатываемая схема.

8

4.Учитываются особенности будущего производства разрабатываемой схемы и, исходя из способа монтажа микросхем, формируются требования к типу корпуса микросхемы. Аналоговые схемы очень часто на этапе разработки макетируют, поэтому может возникнуть ситуация, когда для макета необходим один тип корпуса (обычно DIP или SOIC), а в производство закладывается более миниатюрный. В этом случае необходим подбор микросхем, выпускаемых в двух типах корпусов, поскольку использование микросхем разных типов в макете и при производстве не рекомендуется.

5.В соответствии с классом разрабатываемой аппаратуры выбираются микросхемы, имеющие требуемый или более широкий диапазон рабочих температур.

6.Учитывая, что до этого этапа особых требований к микросхемам не предъявлялось, возможный выбор остается значительным. Поэтому у каждого производителя подбираются по 3–5 микросхем, имеющих минимальную стоимость (по данным сайта производителя). Таким образом, выбор ограничивается 10–15 микросхемами.

7.Анализируются стоимости микросхем разных поставщиков. Дальнейший выбор основывается не только на стоимости, но и на сроках их поставки и наличии на складах. Обычно выбираются 3–4 микросхемы, имеющие оптимальное сочетание стоимости и сроков поставки, лучше от нескольких поставщиков.

Пример требований к разработке:

∙напряжение питания – более 10 В;

∙ток потребления – менее 5 мА;

∙напряжение смещения – менее 1 мВ;

∙полоса пропускания – более 10 МГц;

∙класс аппаратуры – «Industrial».

9

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 2.

1.2. Прецизионные операционные усилители общего применения

Построение высокоточных схем, например, в измерительных приборах высокого класса точности требует применения операционных усилителей повышенного класса точности. Поэтому на первом этапе выбора анализируются точностные характеристики.

1.Выбираются прецизионные операционные усилители, имеющие требуемые напряжение смещение и коэффициент подавления синфазной составляющей.

2.Далее повторяются этапы, аналогичные этапам 2–5 при выборе усилителей общего применения.

3.Поскольку прецизионная аппаратура относится к разряду дорогостоящей, стоимостной критерий рассматривается только при прочих равных условиях.

4.Прецизионная аппаратура выпускается, как правило, ограниченным тиражом, поэтому необходимо учитывать небольшие потребности при выборе поставщиков, сроков поставки и типе корпуса. Окончательный этап выбора аналогичен выбору усилителей общего применения.

Пример требований к разработке:

∙напряжение питания – более 5 В;

∙напряжение смещения – менее 5 мкВ;

∙коэффициент подавления синфазной составляющей – более 120 dB;

∙коэффициент усиления схемы – более 120 dB;

∙полоса пропускания – более 1 МГц;

∙класс аппаратуры – «Industrial».

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 3.

10