esumen: Se puede aplicar un circuito integrado BiCMOS con sólo resistencias y transistores no para resolver un problema de diseño difícil. La ganancia del amplificador operacional míticamente perfecto y coeficiente de temperatura dependen de valores de las resistencias externas. Maxim Resistencia de precisión matrices se fabrican juntos en un solo dado y luego recortado de forma automática, para asegurar una estrecha relación de correspondencia. Esto garantiza que el amplificador de ganancia operacional (op amp) y el coeficiente de temperatura son predecibles y fiables, incluso con grandes volúmenes de producción.
Una versión similar de este artículo apareció en el 01 de marzo 2013 cuestión de la mundo de la electrónica la revista.
Introducción
En este artículo se explica cómo un BiCMOS circuito integrado con sólo resistencias y transistores no puede resolver un problema de diseño difícil. Examina cómo la ganancia del amplificador míticamente "perfecto" funcionamiento ytemperatura de coeficiente dependen de valores de las resistencias externas. A continuación, examina algunas matrices de resistencias de precisión que se fabrican juntos en un solo dado y luego recortan automáticamente para asegurar una estrecha relación de correspondencia. Este proceso garantiza que la ganancia del amplificador operacional y el coeficiente de temperatura son predecibles y fiables, incluso con grandes volúmenes de producción.
El Amp Op perfecta y práctica
A BiCMOS IC sin transistores, eso es diferente! Ahora que tenemos su atención, estamos tratando de hacer un punto.¿Por qué querría alguien un circuito integrado (IC) sin transistores? ¿Alguien gastar un buen dinero por una máscara BiCMOS establecer sin transistores?
Para las respuestas, hay que visitar la tierra de prácticas amplificador operacional aplicaciones (op amp). Y si bien, hay que recordar el viejo dicho de "una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil." El mítico, perfecto, un millón de dólares op amp tiene infinita ganancia y un coeficiente de temperatura cero. En la Figura 1 , que amplificador perfecto op está configurado para proporcionar la amplificación no inversora de una señal de entrada.
Figura 1. Un circuito perfecto amplificador operacional no inversor del amplificador.
¿Qué controla la ganancia del amplificador? Más significativamente, lo que controla la tolerancia de la ganancia y el coeficiente de temperatura? ¿Es el amplificador operacional o las resistencias? El amplificador operacional no será mejor que las resistencias. Del mismo modo, es las resistencias que dominan el coeficiente de temperatura. Por lo tanto, la resistencia de las matrices de precisión pueden tener un impacto en el rendimiento del amplificador operacional. Usaremos algunas matrices y amplificadores operacionales de Maxim para proporcionar algunos ejemplos como específicos.
Tolerancia en resistencias de precisión: promedio en la industria manufacturera y qué puede ir mal
Amplificadores operacionales comunes ofrecen diferentes anchos de banda de funcionamiento ( Tabla 1 ) y cada dispositivo se pueden beneficiar de la resistencia de las matrices de precisión. Las estrechas especificaciones de las resistencias de precisión se transfieren al sistema de amplificador. Entre las especificaciones son transferidos ganancia ajustada (tan bajo como 0,035%), y un coeficiente de ganancia de baja temperatura (1 ppm / ° C (típico)). Ahora la importancia de resistencias de precisión es cada vez claras las cadenas no tienen puntos débiles.
| Tabla 1. Op Amps Común * | ||
| Parte | Descripción | Unidad ganancia BW ( MHz , típico) |
| MAX9619-MAX9620 | Ultra-bajo consumo, cero deriva precisión amplificadores operacionales en paquetes de SC70 | 1.5 |
| MAX9636 | 3V/5V bajo consumo de energía, bajo nivel de ruido, CMOS , rail-to-rail I / O op amp | 1.5 |
| MAX44251 | 20V, ultra-precisión, bajo ruido op amp | 10 |
| MAX9632 | 36V, precisión, bajo ruido, amplificador de banda ancha | 55 |
| MAX44260 | 1.8V, bajo desplazamiento 15MHz, bajo consumo de energía, carril-a-carril de I / O op amp | 15 |
| MAX9613/MAX9615 | De baja potencia, alta eficiencia, sencilla / doble, carril-a-carril de E / S amplificadores operacionales | 2.8 |
| MAX9912 | Dual, 200kHz, 4μA, rail-to-rail I / O op amp | 0.2 |
| MAX9916 | Doble, 1 MHz, 20μA, rail-to-rail I / O op amp en SOT23 | 1 |
| MAX4036 | Única y baja que BIAS , 1.4V/800nA, rail-to-rail op amp | 0.004 |
| MAX4239 | Ultra-bajo compensado / deriva op amp (A V ≥ 10) en el paquete SOT23 | 6.5 |
| MAX4232 | High-output-drive, 10MHz, 10V/μs, rail-to-rail de E / S de doble amplificador operacional | 10 |
| MAX4236 | Muy alta precisión, 3V/5V, Carril-a-carril op amp (ganancia unitaria estable) en un paquete de 8-pin μMAX ® | 1.7 |
| MAX4472 | Quad, 1.8V/750nA, rail-to-rail op amp en TSSOP paquete | 0.009 |
| MAX4253 | Low-noise/distortion, de baja potencia, carril-a-carril op amp | 3 |
* Para obtener la información más reciente, consulte la hoja de datos del dispositivo.
Veamos un ejemplo sencillo en el que vamos a utilizar dos resistencias de tolerancia del 10%. Mientras que nuestro prototipo puede tener resistencias típicas centro de valor, sabemos que el proceso de producción con el tiempo se encontrará con una situación con R 1 y R 2 en los extremos opuestos de las bandas de tolerancia. Durante el diseño, tenemos que considerar estos rincones peor de los casos para asegurar que el sistema complejo final cumple con las especificaciones. Para hacer frente a esto, los diseñadores deben crear un presupuesto error que asigna los límites aceptables para cada etapa. Al permanecer dentro del presupuesto, se puede garantizar el cumplimiento de las especificaciones de todo el sistema.
Un truco es formar cada resistencia de varios de mayor valor paralelos resistencias. Este utiliza la distribución normal de un proceso de fabricación para el promedio de los valores de tolerancia, lo que aumenta la probabilidad de mantener el valor apropiado. Por supuesto, esto sólo es cierto si el patrón de distribución normal existe realmente. Esta es una suposición peligrosa si uno no controla el proceso de fabricación. Por ejemplo, el fabricante de una resistencia de marcas o recorta la resistencia en un borde en lugar de en el valor central. Esto puede ocurrir como resultado de un error de la química, o tal vez la máquina de recorte está fuera de tolerancia. Peor aún, fabricante resistencia de B hace que las resistencias que siguen a la curva de distribución normal;. Sin embargo, especie o bin los resultados de la Figura 2 ilustra la distribución normal y la ordenación por selección. Tenga en cuenta que cada uno de los contenedores, excepto 1% son realmente dos contenedores, uno para alto que el valor nominal y un cubo de menos de las partes inferiores a la nominal.
Figura 2. Intervalos o de la clasificación de las tolerancias de fabricación.
La curva de trazo (línea de color negro) en la figura 2 se ve bien en un mundo perfecto. Sin embargo, el lugar donde vivimos, no mucho es perfecto. A medida que el movimiento tolerancias de fabricación, el número de partes en cada uno de los cambios bin. La tolerancia podría moverse hacia la derecha (ilustrado por la línea de puntos verde), lo que resulta en ningún rendimiento en 1% de tolerancia. Podría ser bimodal (ilustrado por la línea discontinua gris) con muchos 5% y 10% partes de tolerancia y pocos 1% y 2% partes de tolerancia.
Más importante aún, este método parece para asegurarse de que las partes de tolerancia 2% son sólo menos de 1 a menos 2 y más 1 a 2 más (sin partes 1%). También parece eliminar las partes de tolerancia 1% y el 2% de la papelera de 5%. Decimos "parece" y "parece", porque el volumen de ventas y la naturaleza humana también controlan la mezcla. Por ejemplo, el gerente de la planta tiene que enviar 5% resistencias de tolerancia, pero él no tiene suficiente para satisfacer la demanda de este mes. Él, sin embargo, tienen un exceso de 2% partes de tolerancia. Por lo tanto, este mes se los arroja a la basura 5% y hace el envío. Claramente deliberada, la intervención humana distorsiona las estadísticas y el método, pero eso gerente de planta recibe su bono de desempeño. Tal es la importancia del factor humano.
Luego hay otros factores humanos pertinentes. Si un operador se interrumpe durante la descarga de los contenedores, cualquier cosa puede suceder. Cuando él (una retórica "que" aquí, ya que sabemos que las mujeres ocupan estos puestos también) vuelve a trabajar, se acordará poner las piezas de nuevo en el contenedor adecuado? Cuando un derrame algunas partes, el operador no quiere ser penalizado (o gritado), por lo que las partes pueden volver a entrar en la papelera más conveniente. Es la naturaleza humana, y además, ¿quién lo sabrá?
Luego están los factores humanos cuando se rellena la junta. La parte quería es 2.52K. El operador se confunde-no el carrete correcto decir 2.520, 2.533 o 2.531? Es el carrete más cercana la adecuada? Por otra parte, durante la reanudación si algunas resistencias se caen, ¿va a recoger la pieza correcta, o va a recoger a las resistencias que se le cayó la última vez? ¿El operador de admitir un error o pedir ayuda, corriendo el riesgo de una pena? La naturaleza humana dice que no.
Embalaje matrices de resistencias en un IC Zero-Transistor
Con tantas cosas a tener en cuenta, ¿cómo puede un ingeniero de diseño de la protección de un diseño de los errores? El IC-transistor cero (IC-envasados matrices de resistencias de precisión) viene al rescate. En estas matrices integrados, las resistencias son muy controlados. Ellos tienen tolerancias estrechas y, lo más importante, la relación entre las dos resistencias se controla con precisión (después de todo, es la relación que determina la ganancia). Por otra parte, el coeficiente de temperatura es bien conocida y las resistencias hará un seguimiento de uno al otro, ya que están integrados juntos en un solo dado y en un solo paquete.
Las matrices de resistencias también se fabrican juntos en la misma oblea y normalmente se prueban de forma automática y se recortan juntos. Sí, se escapa de prueba ocurren, un operador puede volcar partes de lo malo bin en la buena bin.Pero los lugares donde esto puede ocurrir son minimizados a sólo una estación en lugar de muchos. Utilizando equipos de prueba automáticos (ATE), es muy común ver a un bloqueo físico del mal bin. Tal procedimiento operativo se asegura de que las partes buenas se retiran de la planta de ensayo y estibados en el inventario, antes de que las partes malas se desbloquean y se descartan.
Como se fabrican las placas, también se reduce la probabilidad de errores de montaje, ya que un solo paquete reemplaza ahora varias resistencias discretas. También se requiere una sola inserción, en lugar de múltiples componentes están insertados en la placa de circuito impreso .
Si las resistencias discretas utilizadas en la Figura 1 se sustituyen por un par de MAX5490 resistencias de precisión (Figura 3 ), el esquema es básicamente la misma. Sin embargo, la co-integración física de las resistencias proporciona una excelente resistencia a juego.
Figura 3. La pareja resistencia MAX5490 precisión.
De hecho, las matrices de resistencias a menudo ofrecen una selección de 0.035% (grado A), 0,05% (grado B) y 0,1% (grado C) tolerancias. En una parte por millón, la variación de la temperatura de los dispositivos es extremadamente bajo.Es la proporción de resistencia (ganancia efectivamente la estabilidad) que se garantiza que sea menos de 1 ppm / ° C (típico) en -55 ° C a +125 ° C. La resistencia de extremo a extremo del par es 100 kohmios. Cinco razones por encargo de resistencia estándar y otra de 1:1 a 100:1 están disponibles en pequeñas 3-pin SOT23 paquetes. El operativo de tensión a través de las resistencias es mayor que la mayoría op-amp hasta 80 V a través de la suma de R1 y R2. Además, la relación de resistencia-estabilidad a largo plazo es normalmente 0,03% de más de 2000 horas a 70 ° C.
El par de precisión resistencia MAX5490 permite el uso de circuitos de aplicación del op-amp normales. Figura 4 , Figura 5 , y la Figura 6 ilustran los más simples circuitos comunes. Para mostrar la gama típica de las matrices de resistencias comúnmente disponibles, Tabla 2 resume la familia de arrays de Maxim. Estas matrices pueden apoyar y simplificar los diseños de sistemas, basados en amplificadores de instrumentación, convertidores de corriente a voltaje, filtros, víboras, palancas de cambio de nivel, impedancia convertidores, aisladores de carga, y más.
| Tabla 2. Maxim Resistor Arrays * | ||||
| Parte | Descripción | Resistencia End-to-End (kW) | Tolerancia de resistencia (%) | TemperaturaCoeficiente (ppm / ° C, typ) |
| MAX5492 | 10k, ± 2 kV ESD de precisión con ajuste resistor-divisor | 10 | 0,025 | 35 |
| MAX5491 | 30kΩ, ± 2 kV ESD de precisión con ajuste resistor-divisor | 30 | 0,025 | 35 |
| MAX5490 | 100 kohmios, ± 2 kV ESD de precisión con ajuste resistor-divisor | 100 | 0,025 | 35 |
| MAX5426 | Resistencia digitalmente programables y conmutadorde red para amplificadores de instrumentación | 15 | 0,025 | 35 |
| MAX5431 | ± 15V digital de precisión programable divisor de voltaje e interruptor de amplificadores de ganancia programable ( PGA ) con resistencia de polarización de entrada | 57 | 0,025 | - |
| MAX5430 | Precisión digitalmente programables divisor de voltaje e interruptor de PGA | 15 | 0,025 | - |
| MAX5421 | Precisión digitalmente programables divisor de voltaje e interruptor de PGA con resistencia de polarización de entrada | 15 | 0,025 | - |
| MAX5420 | Precisión digitalmente programables divisor de voltaje e interruptor de PGA | 0,025 | 0,025 | - |
* Para obtener la información más reciente, consulte la hoja de datos del dispositivo.
La Figura 4. Inversión amplificador operacional de entrada.
Figura 5. Buffer atenuador de entrada.
La Figura 6. Buffer de salida de atenuador.
La hoja de datos para el MAX5490 te dice para calcular el ancho de banda mediante 
En nuestro ejemplo hemos utilizado un par de resistencias de 50kΩ con las bajas corrientes esperados. Sin embargo, como los cambios de relación de la resistencia, la corriente de subida niveles, causando un calentamiento espontáneo.Obviamente, esto debe tenerse en cuenta al evaluar el coeficiente de temperatura, los datos de hoja de datos de los cálculos necesarios para minimizar este efecto.
Mientras que el MAX5490 consiste en una toma central resistencia de 100 kohmios, partes que tienen otros valores de las resistencias están disponibles, tales como el MAX5491 (con un 30kΩ resistencia de extremo a extremo) y el MAX5492(10k con una resistencia de extremo a extremo) . Cualquiera de estos valores habrá un ayudante en el diseño de un amplificador sumador.
Resumen
Así, un IC-transistor cero no es una idea tan ridícula después de todo, sobre todo cuando se produce resistencias con muy buenas tolerancias. Como una cuestión práctica, grandes amplificadores dependen de las relaciones apretadas resistencia de par garantizados por el MAX5490, MAX5491, y MAX5492.
μMAX es una marca registrada de Maxim Integrated Products, Inc.
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