CC BY
616Аналоговые схемы
серии 1446
Юрий КОБЗЕВ Сергей ТИМОШИН Виктор ЭННС Всеволод ЭННС
Вот уже более десяти лет на отечественном рынке микроэлектронных компонентов присутствует серия микросхем 1446. Развитие этой серии происходит вместе со становлением школы проектирования цифроаналоговых КМОП-микросхем на одном из флагманов отечественной микроэлектроники — ОАО «Ангстрем» — совместно с ЗАО «Дизайн-центр «Союз». Одними из первых представителей данного семейства стали теперь уже классические rail-to-rail КМОП операционные усилители К1446УД1-5/УД11-14, а в этом году серия пополнилась быстродействующим 12-разрядным АЦП с приемкой «5» К1446ПВ2У. Данная статья представляет собой обзор существующих на рынке микросхем этой серии и обсуждение перспектив ее развития.
Магниторезистивные датчики К1446ЧЭ1/ЧЭ2
Среди недавних разработок можно отметить микросхемы магниторезистивных датчиков К1446ЧЭ1/ЧЭ2, которые представляют собой выполненные на одном кристалле магниторезистивные датчики (мостовая схема на магниточувствительных резисторах) и схемы их управления [1]. Выход микросхем ОиТ1 переключается из состояния высокого уровня в низкий, если величина приложенного магнитного поля больше 1,5 мТл (тип.), а из состояния низкого уровня в высокий, если величина приложенного магнитного поля меньше 0,7 мТл (тип.). Микросхемы ЧЭ1 и ЧЭ2 отличаются друг от друга только типом выхода (КМОП-инвертор или открытый сток).
На рис. 1 приведена зависимость состояния выхода ОиТ1 микросхемы от напряженности приложенного внешнего магнитного поля.
Выход ОиТ2 имеет аналогичную характеристику при напряженности поля около 3 мТл. Для своей работы микросхема не тре-
Напряжение на выходе 01ГГ1, В о -к 1чз со Ноп1
^он ^01.
> к > *
1 2 3 4 5 Магнитное поле Н, мТл
бует каких-либо дополнительных внешних элементов. Достаточно подать лишь напряжение питания в диапазоне от 2,4 до 3,6 В. Средний ток потребления микросхемы также весьма мал — около 3 мкА.
Детекторы питания К1446ДП2/ДП3
Большие перспективы как на внешнем, так и на внутреннем рынке имеют детекторы питания К1446ДП2/ДП3. Высокоточный детектор напряжения изготавливается по КМОП-технологии. Напряжение детектирования зафиксировано на кристалле с точностью ±2%. Варианты ДП2 и ДП3 отличаются типом выходного каскада (открытый сток или КМОП-инвертор).
Широкий диапазон рабочих напряжений питания (1,2-6 В) при чрезвычайно низком рабочем токе потребления (порядка 1 мкА) обеспечивает возможность приме-
нения микросхем в широком спектре как портативных, так и стационарных устройств. На рис. 2 приведена структурная схема К1446ДП3, поясняющая ее функционирование.
На отечественном рынке микросхема доступна в корпусах 8ОТ-89 и ТО-92. При значительных объемах возможна поставка в корпусах 8ОТ-23.
Следует отметить, что серия 1446 имеет в своем составе детектор питания с приемкой «5» — К1446АП1У.
Повышающие преобразователи напряжения К1446ПН1/ПН2
Повышающие УБМ ОСЮС-преобразова-тели серии 1446 выполнены по низкопороговой КМОП-технологии и имеет напряжение запуска от 0,9 В. При этом диапазон выходных напряжений и токов определяется конкретным типом микросхемы.
Рис. 1. Характеристика работы К1446ЧЭ1 Рис. 2. Структурная схема К1446ДП3
Микросхема К1446ПН1 имеет диапазон входных напряжений от 0,9 до 5 В и преобразует его в выходное напряжение 3,3 или
5 В. Типовой КПД составляет 80% (при токе нагрузки 100 мА). Внутренний мощный MOSFET-транзистор допускает использование высокочастотных импульсов. В сочетании с внутренним ограничителем тока это позволяет использовать небольшие и недорогие индуктивные элементы. Типовая схема применения ИМС приведена на рис. 3.
Помимо преобразования напряжения устройство К1446ПН1 позволяет предупредить
о чрезмерном разряде батареи благодаря встроенному детектору напряжения питания (вывод LBO — Low Battery Output). Вывод nShDn позволяет осуществлять электронное включение и выключение преобразователя.
Преобразователи К1446ПН2 образуют ряды ПН25, ПН26, ПН27 и соответствующие им ПН251, ПН261, ПН271. Последние предназначены для использования в преобразователях с внешним ключевым транзистором. Между собой преобразователи ПН25-ПН27 отличаются только наличием и способом подключения вывода энергосбережения SD.
Ряд преобразователей ПН2 со встроенным ключевым транзистором предназначен для маломощных применений с номинальным током порядка 10 мА (типовая схема применения приведена на рис. 4). Типовое напряжение запуска для схем ПН2 составляет 0,8 В, а напряжение удержания может доходить до
0,7 В, что позволяет практически полностью использовать заряд элементов питания.
Выходное напряжение преобразователей программируется на стадии производства и имеет восемь стандартных значений (1,5; 1,8; 2,5; 2,7; 3,0; 3,3; 3,7; 4,5; 5,0 В).
Следует отметить, что микросхема 1446ПН2 в виде кристаллов на пластинах в больших количествах поставляется также и на внешний рынок в страны Юго-Восточной Азии.
На российском рынке микросхемы доступны в корпусах 80Т-89.
Операционные усилители серии 1446
Серия операционных усилителей К1446УД1...УД5 задумывалась как аналог серии ICL76XX компании MAXIM. Несмотря на то, что в линейке аналога лишь некоторые микросхемы имеют допустимый диапазон входных и выходных напряжений от отрицательного питания до положительного (rail-to-rail), было решено распространить этот принцип на всю линейку ОУ 1446. Возможность применения входных сигналов, включающих или даже немного превышающих (не более 0,3 В) потенциалы шин питания, позволяет в ряде случаев существенно упростить электрическую схему устройств.
Поскольку серия ОУ выполнена целиком по КМОП-технологии, входные токи ОУ малы и определяются только утечками со стороны входных цепей электростатической защиты.
Однако использование стандартной КМОП-технологии несет и негативный элемент, связанный с наличием повышенных 1/f шумов. Это ограничивает применение ОУ данной серии в высококачественной аудио-аппаратуре или в прецизионных измерительных системах. В остальных же случаях применение данных ОУ может дать существенную выгоду.
Наличие в одном корпусе двух (УД1, 2, 4, 5) или четырех (УД3) ОУ (рис. 5) может значительно сократить площадь, занимаемую им на печатной плате. Микросхемы доступны в пластмассовых корпусах SO и DIP.
Сами операционные усилители не требуют для своего применения каких-либо внешних элементов. Они имеют встроенную частотную коррекцию и предустановленный источник тока смещения. При этом схемотехника ОУ в серии идентична и отличается лишь размерами транзисторов и настройками. Таким образом, анализируя ОУ серии, пользователь, прежде всего, выбирает необходимые ему ди-
Выхг —Вхг +Вхг -Ucc +Вхв -Вхв Выхв
И
Рис. S. Состав ОУ серии 1446: а) УД1, 2, 4, 5; б) УД3
AVDD AVSS AVDD AVSS DVDD DVSS
Рис. 6. Блок-схема АЦП
Вь|ход Л РАТАп-З j| РАТАп—2 DATAn-1 DATAn j| DATAn+1 j|
Рис. 7. Временная диаграмма работы 1446ПВ2У
намические характеристики и нагрузочную способность — естественно, за счет тока покоя соответствующего ОУ (ряд 0,01 мА, 0,1 мА,
1 мА на ОУ). В остальном усилители серии взаимозаменяемые. Если диапазон напряжений питания ОУ (которое может быть и однополярным) 2,8-7 В оказывается недостаточным, то используются ОУ УД11-УД14. Последние по характеристикам близки к соответствующим УД1-УД4, за исключением напряжения питания, которое в этом случае может достигать 12-14 В.
Аналогово-цифровой преобразователь 1446ПВ2У
В 2007 году завершена ОКР (опытно-конструкторская работа) с приемкой «5» и успешно аттестован первый отечественный (имеется ввиду, как разработка, так и технологическое производство) 12-разрядный АЦП с частотой выборок 8 МГц.
АЦП имеет встроенный УВХ и источник опорного напряжения. Архитектура АЦП — конвейерного типа с блоком цифровой коррекции. Упрощенная блок-схема АЦП приведена на рис. 6, а временная диаграмма работы — на рис. 7.
Дифференциальная нелинейность (Б№) АЦП не должна превышать 1 МЗР (хотя
во время тестирования максимальная не превышает 0,75 МЗР, что гарантирует отсутствие пропусков кода). Интегральная нелинейность — не более 2 МЗР. Типовые значения данных величин DNL — 0,5 МЗР, ШЬ — 1,5 МЗР.
Микросхема поставляется в 48-выводном металлокерамическом корпусе.
Прочие микросхемы серии 1446
Помимо описанных выше серия 1446 включает в себя ряд других микросхем, таких как преобразователи мощности — К1446ПМ1/ПМ2, электронные носители информации — К1446ВГ5, контроллеры литиевой батареи — К1446ВГ6 и пр.
Микросхема преобразователя мощности предназначена для использования в электронных счетчиках электроэнергии. В связи с резким снижением цен на аналогичные изделия зарубежных компаний эта микросхема пока не нашла массового потребителя на российском рынке.
Микросхема электронного носителя информации, напротив, является одним из самых массовых изделий серии 1446 на российском рынке, однако это устройство скорее цифровое, чем аналоговое.
Контроллер литиевой батареи — это, пожалуй, самая массовая микросхема серии 1446, которая производится и продается десятками миллионов кристаллов в месяц, но идет в основном на экспорт, так как в России производство литиевых батарей в заметных объемах отсутствует.
Об этих микросхемах, а также о технике построения аналоговых КМОП-микросхем вообще, можно узнать из справочника [2], авторы которого являются членами коллектива, разрабатывающего серию 1446.
Перспективы развития серии 1446
Развитие серии 1446 продолжится в двух основных направлениях.
Первое — это последовательное импорто-замещение относительно «простых», но массовых микросхем. В частности, уже проходят аттестацию микросхемы регуляторов напряжения (LDO), новых версий операционных усилителей (включая быстродействующие и с повышенным уровнем ЭС защиты), разрабатываются микросхемы высокоэффективных понижающих преобразователей (step-down) со входным напряжением 40 В и выходным током 3 А.
Второе — это продолжение работ по относительно сложным изделиям, таким как АЦП иЦАП.
Полученное и успешно аттестованное ядро АЦП будет модифицироваться как в сторону повышения разрядности, так и в сторону повышения быстродействия и ляжет в основу ряда модификаций АЦП. Так, в частности, уже проходит аттестацию модификация описанного выше АЦП с регулируемым током потребления.
В «запасе» коллектива имеется еще успешно аттестованный (зарубежными партнерами) IP-блок интегрированного на кристалл температурного датчика со встроенным высоколинейным АЦП. В настоящий момент изделие на основе этого блока выходит на внешний рынок.
В ближайшее время «возродятся» изделия радиочастотного интерфейса (некоторые из них уже отправились за рубеж в виде опытных образцов).
Безусловно, качественный импульс серии 1446 придаст переход производства ОАО «Ангстрем» на новые технологические нормы до 0,13 мкм. ■
Литература
1. Кобзев Ю. М., Эннс В. В., Эннс В. И. Моделирование магниточувствительных схем на основе магниторезистивных элементов // Известия вузов. Электроника. 2006. № 6.
2. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика. М.: Горячая линия-Телеком, 2005.
