Критерии эффективности микромощных электронных устройств

УДК 621.3+681.5 DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-12-1146-1156

КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ МИКРОМОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Ю. Б. Иванов, А. В. Казачкин, О. О. Басов

Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации, 302034, г. Орёл, Россия

E-mail: zhmur@yahoo.com

Применение микромощных электронных устройств при построении электронной аппаратуры является перспективным направлением повышения надежности ее функционирования. Уменьшение энергопотребления и сохранение требуемых технических параметров электронных устройств — взаимоисключающие требования, потому необходима оценка их эффективности на основе определенных критериев. Для оценки эффективности микромощных операционных усилителей, компараторов, источников опорных напряжений и аналого-цифровых преобразователей рассмотрены их основные свойства и параметры. Проведен сравнительный анализ основных параметров зарубежных и отечественных микросхем. Представлены критерии эффективности, учитывающие минимальное энергопотребление микромощных электронных устройств без ухудшения их основных характеристик, а также минимизацию структурной сложности и упрощение схем построения. Предложены рекомендации по выбору элементов для построения микромощных электронных устройств, применение которых обеспечивает повышение надежности, экономичности и автономности работы электронной аппаратуры при одновременном снижении удельной материалоемкости и энергопотребления.

Ключевые слова: операционные усилители, микромощные компараторы, источники опорных напряжений, аналого-цифровые преобразователи, удельное энергопотребление, удельный ток, удельное значение энергии

Несмотря на различные схемы построения и алгоритмы работы электронной аппаратуры, основным требованием к ней является обеспечение высокой надежности долговременной работы. Одним из перспективных способов повышения надежности электронной аппаратуры является использование микромощных функциональных элементов и электронных блоков.

В общем случае к микромощным электронным устройствам относятся микросхемы с мощностью потребления не более 1 мВт. Например, при двухполярном напряжении питания Цшт = ±5 В ток потребления микросхемы не должен превышать /пит < 100 мкА. К микромощным относятся электронные устройства с ультранизким током потребления !пит < 10 мкА, а также программируемые микросхемы, ток потребления которых устанавливается с помощью различных внешних команд и сигналов [1].

Эффективность микромощных электронных устройств предполагает увеличение их функциональных возможностей без повышения энергопотребления и ухудшения основных свойств.

Необходимость и возможность применения микромощных электронных устройств для повышения надежности аппаратуры обусловлена:

— значительным упрощением электрических схем и сокращением числа элементов за счет отказа от мощных блоков питания и электронных стабилизаторов напряжения, устройств подавления помех и уменьшения числа гальванических развязок по цепям питания;

— уменьшением коэффициентов электрической и тепловой нагрузки электронных компонентов и микросхем;

— снижением токов питания, позволяющим заменить электролитические конденсаторы большой емкости более надежными керамическими, что в десятки раз повышает надежность электронной аппаратуры;

— уменьшением габаритных размеров и массы аппаратуры за счет повышения плотности монтажа электронных компонентов;

— увеличением времени непрерывной работы устройств без замены гальванических элементов автономного питания;

— минимизацией тока потребления функциональных электронных узлов, что позволяет отказаться от применения отдельных блоков питания в приемопередающей аппаратуре и использовать информационный сигнал в качестве источника питающего напряжения, обеспечивая совмещение цепей связи и питания.

Однако известно, что уменьшение напряжения и тока питания электронных устройств приводит к ухудшению их основных характеристик. Для разрешения этого противоречия необходима комплексная оценка взаимосвязи параметров „чувствительность—быстродействие— мощность потребления" конкретных микромощных электронных устройств на основе разработанных для них критериев эффективности.

Основные свойства и параметры микромощных операционных усилителей. В настоящее время различными фирмами выпускаются сотни видов микромощных операционных усилителей (МОУ) с высокими метрологическими характеристиками по точности, напряжению начального смещения и его температурному дрейфу, а также с высокими динамическими характеристиками по быстродействию, частоте единичного усиления и скорости нарастания выходного напряжения. При этом одним из основных параметров МОУ является ток потребления от источников питания.

При разработке микромощных устройств на базе микроконтроллеров целесообразно использовать МОУ с однополярным напряжением питания для упрощения согласования уровней сигналов с цифровой частью. Такие МОУ обеспечивают высокий коэффициент усиления при низком напряжении питания ипит = 2—5 В независимо от тока потребления.

Уменьшение тока потребления МОУ при сохранении питающего напряжения приводит к повышению спектральной плотности или напряжения шума иш, а также к уменьшению частоты единичного усиления/1 и максимальной скорости нарастания выходного напряжения

Утах усилителя.

Напряжение теплового шума МОУ на биполярных транзисторах обратно пропорционально коллекторному току 1к транзисторов входного каскада [2]:

иш ~ Фтл/2^А///К ,

где фт ~ 25 мВ — температурный потенциал; q ~ 1,6-10- Кл — заряд электрона; А/=/ -/н — полоса рабочих частот усилителя.

При уменьшении в п раз тока потребления, Утах усилителя напряжение шума иш возрастает в 4п раз [2].

Значения /1 = К/ /пит (при величине коэффициента К/ = 3—10 кГц/мкА) и скорость нарастания выходного напряжения Утах = КУ/пит (при значении коэффициента пропорциональности КУ = 1—5 В/мс-мкА) снижаются прямо пропорционально уменьшению тока потребления /пит усилителя.

Для оценки эффективности микромощных усилителей целесообразно использовать отношение тока потребления к частоте единичного усиления или к скорости нарастания выходного напряжения:

А/ = 1пит//"1; АУ = 1пит/ Утах.

При этом МОУ высокого качества характеризуются наименьшими значениями этих динамических параметров, т.е. имеют минимальное удельное энергопотребление.

Для сравнения зарубежных и отечественных микросхем в табл. 1 приведены значения тока потребления и динамических параметров МОУ при напряжении ипш = 5 В [1—7].

Таблица 1

Тип МОУ Iпит, мкА /1, кГц Vmax, В/мс с нВ/^/ГЦ" Iпит/i, мкА/кГц I /V 1 пит' у тах? нА-с/В

К140УД12 150/15 100 200 60 0,150 0,10

К1407УД2 100/4 3000 500 15 0,033 0.20

ОРА4244 50 430 100 22 0,116 0,50

К1463УД1 50 150 50 25 0,333 1,00

ЬТ1070 48 230 80 27 0,112 0,60

ЬТ1636 42 200 70 52 0,210 0,60

МАХ9917 40 1000 500 - 0,040 0,08

ЛБ8541 40 400 500 40 0,100 0,08

МАХ9634 36 1500 900 36 0,024 0,04

1БЬ28133 20 400 200 65 0,050 0,10

МАХ9915 20 1000 500 160 0,020 0,04

МАХ480С 14 20 12 - 0,700 1,17

МАХ4289 14 17 6 - 0,824 2,33

ЛБ4051 13 125 60 95 0,104 0,22

К1446УД2 13 50 40 - 0,260 0,32

ЬРУ321 12 152 100 - 0,079 0,12

ЬЫ4250 8 70 60 - 0,114 0,13

ОР481 4 95 25 75 0,042 0,16

МАХ9911 4 200 100 - 0,020 0,04

ЬТ1672 1,5 12 5 185 0,125 0,30

МАХ409 1,2 150 75 150 0,006 0,02

МАХ406 1,2 8 5 150 0,150 0,24

Т8941 1,2 10 4,5 - 0,120 0,27

1БЬ28195 1,0 10 4,2 150 0,100 0,24

ЛБ8500 1,0 7,0 4 190 0,143 0,25

ТУЬ2401 0,95 5,5 2 - 0,173 0,47

ЬРУ511 0,9 27 7,7 320 0,033 0,11

МАХ4464 0,75 40 20 150 0,015 0,03

МАХ4470 0,75 9 2 120 0,033 0,38

МСР6441 0,65 9 3 190 0,072 0,22

МСР6141 0,6 100 24 170 0,006 0,02

ЬРУ521 0,4 6,2 2,4 265 0,064 0,17

1БЬ28194 0,33 3,5 1,2 265 0,094 0,27

Основными отличиями зарубежных МОУ от аналогичных микросхем отечественного производства являются [5]:

— большой размах выходного напряжения (Rail-to-Ra.il), которое ограничивается только напряжением питания усилителя;

— уменьшенный в десятки раз ток потребления при относительно высокой частоте единичного усиления (например, МАХ4464, МСР6441 по сравнению с МОУ типов К1463 УД 1, К1446УД2);

— наилучшие динамические параметры при минимальном токе потребления, обеспечивающие минимальные значения показателей качества усилителей (МАХ409, МСР6141);

— спектральная плотность шума МОУ изменяется в диапазоне ¿Ш = 22—320 нВ/^ГЦ при уменьшении тока потребления от десятков до единиц микроампер (в технических характеристиках усилителей, как правило, спектральную плотность шума указывают для частоты 1 кГц, а шум вида 1/ не учитывают).

Максимальные значения выходного напряжения МОУ определяются напряжением насыщения выходных транзисторов. В каскадах на биполярных транзисторах при пренебрежимо малом значении тока нагрузки напряжение насыщения ~ 35 мВ, а для КМОП транзисторов —

~ 5—10 мВ. При повышении тока нагрузки до 100 мкА напряжение насыщения этих транзисторов возрастает до 100—200 мВ, а при работе в режиме усиления падение напряжения на транзисторах составляет не менее 300 мВ.

В микромощных программируемых ОУ (К140УД12, ЬМ4250) ток потребления регулируется внешним резистором [5]. Такая регулировка позволяет выбрать оптимальные параметры ОУ для его применения в составе конкретного датчика с учетом тока питания, напряжения шума и динамических характеристик.

Ток питания /пит программируемых ОУ типа К140УД12, К1407УД2 в микроамперном диапазоне линейно зависит от тока управления /упр [8]:

!пит = Kм/упр,

где Км ~ 10—20 — коэффициент модуляции тока питания МОУ управляющим током /упр, для получения которого к дополнительному входу МОУ подключают резистор Купр [8]:

Купр = (ипит — Uбэ)//упр,

где ибэ ~ 0,5 В — напряжение „база—эмиттер" транзистора, применяемого в микросхеме МОУ для управления режимом его работы.

Уменьшение тока питания /пит до единиц микроампер позволяет понизить входной ток усилителя до /вх ~ 1—2 нА при одновременном повышении входного сопротивления до Квх > 50 МОм.

При подключении двухполярных МОУ к одному источнику питающего напряжения следует устанавливать делитель напряжения на неинвертирующем входе МОУ. Схема подключения программируемого МОУ к однополярному источнику напряжения питания приведена на рис. 1, а.

В этой схеме резистор Купр служит для задания управляющего тока /упр, а постоянное напряжение на выходе МОУ ивых ~ 0,5ипит задается резисторами К1 = К2. Коэффициент усиления входного напряжения ивх практически не зависит от тока питания усилителя и определяется выражением

Ки = —Кос / ^0.

В программируемых МОУ для реализации „спящего" режима работы целесообразно использовать ключевой МОП транзистор в цепи управления током питания (рис. 1, б). Кроме того, современные микросхемы МОУ (например, МАХ9917) имеют дополнительный вход для модуляции тока питания, который при подаче управляющего сигнала уменьшается от номинального уровня до значения менее 1 мкА [9].

а)

б)

-'вых

Вых о

Рис. 1

Основные свойства и параметры микромощных компараторов. Микромощные компараторы, в отличие от МОУ, формируют на выходе однополярные перепады напряжения,

уровни которого соответствуют значениям „Лог. 0" и „Лог. 1" цифровых или логических микросхем [1].

Микромощные компараторы выбираются по допустимому времени задержки срабатывания ¿з, которое обеспечивается при минимальном токе питания /пит. По сравнению с МОУ компараторы имеют более высокое быстродействие при одинаковом энергопотреблении, они не содержат внутренней емкости частотной коррекции, применяемой в микросхемах МОУ для повышения устойчивости работы с различными цепями обратной связи.

Микромощные компараторы выпускаются как с фиксированным, так и программируемым током потребления /пит, который можно повышать для уменьшения задержки срабатывания. В современных компараторах часто используется внутренний источник опорного напряжения ио, применяемый в качестве образцовой величины для сравнения с амплитудой входного сигнала [10].

Для оценки микромощных компараторов целесообразно использовать интегральный показатель, вычисляемый произведением тока питания на время задержки срабатывания:

Ак = /пит4 [мкА-мкс].

С учетом обратной зависимости задержки срабатывания от тока питания минимальное значение этого показателя характеризует высокое качество микромощного компаратора.

Для оценки свойств микромощных компараторов в табл. 2 приведены значения напряжения и тока питания разных микросхем с указанием типа выхода [6, 7]. Благодаря минимальным значениям интегральной оценки наилучшее качество имеют наномощные компараторы типов МСР6541 и Т8881, работающие при токах питания менее 1 мкА с изменением задержки срабатывания от 4 до 14 мкс в зависимости от уровня сигнала.

Таблица 2

Тип ипит, —пит, 4 иа, Ак Тип

компаратора В мкА мкс В мкА-мкс выхода

ЬТ1040 2,8—16 /0 — КМОП

Т83702С 2,7—10 25,0 1,1/1,6 — 40 ОК/ТТЛ

Т8861ГО-64 2,7—10 14,0 0,6/1,5 — 21 КМОП

Т83У393 2,7—16 9,0 1,5/2,5 — 22,5 ОК

ЬТС1444 2,0—11 8,5 4/12 1,22 102 КМОП

Т8862 2,7—10 6,0 0,6/1,5 — 9,0 ОК

ЬР365 4,0—36 50/5 4/40 — 200 ОК

ЬТС1541 2,5—12 5,0 12/25 1,20 125 КМОП

ЬТС1442 2,0—11 3,5 5/14 1,82 49 КМОП

ЬТС1998 1,0—5,5 2,5 150/350 1,20 825 КМОП

ЬТС1440 2,0—11 2,1 5/14 1,18 29,4 КМОП

МАХ44269 1,8—5,5 0,85 12 — 10,2 ОК

МАХ9644-6 1,0—5,5 0,6 15 0,20 9,0 ОК

МСР6541 1,6—5,5 0,6 4/8 — 4,8 КМОП

ЬТС1540 2,0—11 0,3 60 1,18 18 КМОП

Т8881 1,1—5,0 0,21 5/14 — 3,0 ОК

Однако при выборе микросхем компараторов для различных электронных устройств кроме тока потребления и задержки срабатывания нужно учитывать дополнительные функциональные возможности таких микросхем. В частности, компаратор ЬТС1540, работающий при /пит = 2,1 мкА, содержит внутренний источник опорного напряжения ио = 1,18 В, который можно использовать для сравнения с амплитудами входного сигнала (рис. 2, а). В микросхему ЬТС1541 при общем токе потребления 5 мкА кроме компаратора входят операционный усилитель и источник опорного напряжения ио = 2 В, что позволяет значительно упрощать схемы микромощных электронных устройств при ее использовании (рис. 2, б).

Наличие внутреннего источника опорного напряжения на микромощном стабилитроне позволяет, в частности, применять такие компараторы для контроля уровня питающего напряжения, а также для формирования зоны гистерезиса при допусковом контроле амплитуды

входного сигнала. Кроме того, встроенный источник опорного напряжения компаратора можно использовать в качестве меры при аналого-цифровом преобразовании сигналов в датчиках, а также при использовании МОУ в качестве компараторов [9].

б)

Вых.ОУ

+Вх.ОУ

-Вх.ОУ

4 о-

-иш

+иш

Вых.комп

Микросхема ЬТС1541

гг

+ип

8 -о

Вх.комп.

Рис. 2

Основные параметры микромощных источников опорных напряжений (ИОН).

При выборе ИОН для микромощных электронных устройств кроме требований к высокой стабильности, минимальному шуму и низкому температурному дрейфу опорного напряжения следует учитывать ток питания. В связи с этим невозможно применение в микромощных ИОН обычных стабилитронов, которые имеют большой разброс (±10 %) напряжения стабилизации и большое динамическое сопротивление при малом токе стабилизации /ст > 3 мА [10].

По способам включения ИОН делятся на параллельные и последовательные устройства, которые имеют два или три вывода (рис. 3).

а)

+5 В

б)

95

в)

I"

1

К

4,7М

1,25В

ЬТ1389 !

2

к1

ипит I

Пв,

К2

К3

100 к

I

3

03

Рис. 3

Схема включения двухвыводного параллельного ИОН аналогична схеме, в которой применен стабилитрон, она отличается только малым током стабилизации /ст > 50 мкА для микросхемы АБ1580 и /ст > 0,8 мкА — для микромощного ИОН типа ЬТ1389.

Трехвыводной параллельный ИОН (например, типа КСР100) позволяет с помощью двух внешних резисторов получать выходное напряжение стабилизации в диапазоне от опорного до предельно допустимого рабочего напряжения микросхемы. Кроме того, третий вывод можно использовать для подстройки выходного напряжения в пределах от долей процента до единиц процентов в прецизионной аппаратуре и высокоточных датчиках [10].

В схеме двухвыводного ИОН (рис. 3, а) ток стабилизации ограничивается резистором К = 4,7 МОм на уровне /ст ~ 0,8 мкА, причем минимальное значение входного напряжения должно быть не меньше опорного напряжения (ивх > 1,5 В).

В составе микросхемы трехвыводного ИОН (рис. 3, б) для уменьшения выходного сопротивления до уровня Квых ~ 0,2 Ом применяются операционный усилитель и МОП транзистор.

Подключение резисторов К2, К3 к трехвыводному ИОН позволяет получить выходное напряжение Пвых = По(К2 + К3)/К2 > По, максимальное значение которого ограничивается только допустимым напряжением пробоя микросхемы ИОН (рис. 3, в).

i

ст

+

5

При выборе микромощных ИОН кроме напряжения и тока питания необходимо учитывать относительное отклонение опорного напряжения от номинального значения Дио/ио и

%

его температурный коэффициент (ТКН), или температурный дрейф [11], измеряемый в 1

°С

или в

10

-6

°С

При работе в узком температурном диапазоне предельная точность ИОН ограничивается напряжением теплового шума, которое выражается в абсолютных значениях [мкВ] либо в виде отношения к опорному напряжению иш/ио.

Учитывая большое разнообразие технических параметров ИОН по выходному напряжению, температурному дрейфу и шуму, а также их зависимость от тока потребления микросхем, для сравнительной оценки качества микромощных ИОН целесообразно использовать обобщенный критерий в виде произведения относительной нестабильности опорного напряжения на ток потребления:

А ион = /пит • 100Дии [мкА-%].

Применение такого интегрального критерия позволяет оценить взаимосвязь нестабильности опорного напряжения с током питания, а его наименьшее значение характеризует относительно высокое качество ИОН вне зависимости от его энергопотребления.

В табл. 3 для сравнения приведены основные технические параметры современных микромощных ИОН разного типа [11].

Таблица 3

Тип ИОН ипит, В /пит, мкА в°и АЦЦ % % ТКН, — °С иш/ио, мкВ/В АИОШ мкА-%

ЬМ1634 3,0—5,5 100/0 1,8/4,1 0,050 0,020 4,0 5,0/0

МСР100 1,5—6,5 80 1—6 0,020 0,010 2,5 1,60

ЛБ1580 3,0—5,0 50 1,225 0,080 0,0050 16,3 8,15

ЬЫ4130 2,7—5,5 50 2,500 0,010 0,0020 4,0 2,00

1СЬ8069 2,7—5,5 50 1,200 0,020 0,0010 4,1 2,05

ЬТ1461 4,5—20 35 4,096 0,060 0,0070 2,0 0,70

ЛБИ290 2,7—15 12 2,048 0,003 0,0008 3,0 0,36

ЛБИ290 2,7—15 12 2,500 0,003 0,0015 2,4 0,29

ЛБИ292 2,7—15 12 4,096 0,003 0,0025 1,5 0,18

ЛБИ293 2,7—15 12 5,000 0,005 0,0020 1,2 0,14

МАХ872 2,7—5,5 10 2,500 0,002 0,0040 24 2,40

ЬТ1634 2,5—12 10 1,2/2,5 0,050 0,0010 10 1,00

ЬТС1798 2,7—12 6,5 2,5/3,0 0,040 0,0040 3,2 0,21

КЕР1112 1,5—7,5 1,2 1,25 0,020 0,015 12 0,14

ЬТ1389 2,0—15 0,8 1,2/2,5 0,050 0,0010 10 0,08

Согласно интегральному критерию, наиболее высокую стабильность параметров при малом токе стабилизации имеют микросхемы типов ЛВЯ293, КЕБ1112 и ЬТ1389, причем последнюю из них можно применять для получения двух значений опорного напряжения при общем токе питания 0,8 мкА.

Для получения разных опорных напряжений от двухвыводного ИОН применяют дополнительный МОУ с цепями обратной связи, которые также стабилизируют ток питания ИОН.

Например, в схеме на ИОН типа ЬТ1389 с усилителем ЛВ8500 (рис. 4, а) независимо от напряжения питания резистором Я1 стабилизируется ток, протекающий через элемент УБ, на уровне /ст = (ивых - ио)/Я1 ~ 0,8 мА. Потенциометром Я3 устанавливается выходное напряжение в диапазоне от 1,5 до 4,0 В при общем токе потребления схемы не выше 3 мкА.

Стабилизатор тока /ст < 10 мкА на полевом транзисторе с резистором Я1 в цепи истока позволяет реализовать микромощный ИОН на светодиоде и формировать опорное напряжение ио ~ 1,2 В с выходным сопротивлением ЯВых < 1 кОм (рис. 4, б) [12].

Стабилизатор тока на полевом транзисторе используется и для получения регулируемого опорного напряжения с низким температурным дрейфом (рис. 4, в). В этой схеме отрицательным ТКН напряжения „база—эмиттер" биполярного транзистора УТ2 компенсируется положительный ТКН полевого транзистора УТ1, поэтому температурный дрейф опорного напряжения

%

составляет ±0,02 — при токе питания /пит > 3 мкА и напряжении ио С

1,5—2,5 В [13].

а)

Я

ио

УБ ЬТ1389

0,8мкА

Я2

I 1мкА

ЛБ8500

б)

1,5—№ —^-о

Яз 3М

КТ3107

-1 УБЖ

1,2М АЛ307,

Рис. 4

Микросхемы ИОН последовательного типа включаются аналогично схемам стабилизаторов напряжения. Применение таких ИОН существенно экономичней параллельных схем при большой разнице между напряжением питания и опорным напряжением.

Большинство микросхем ИОН имеют выходное напряжение из ряда 1,2—1,25; 2,048; 2,5; 3; 3,3; 4,096 В. Нижняя граница этого ряда зависит от ширины запрещенной зоны кремния, а другие значения опорного напряжения получают за счет соответствующего усиления [14].

Некоторые последовательные ИОН (например, КЕБ 1112) имеют встроенный датчик температуры, выходной сигнал с которого можно использовать в качестве поправочного коэффициента для коррекции температурного дрейфа опорного напряжения [14].

Основные параметры микромощных аналого-цифровых преобразователей. Энергопотребление электронных устройств существенно зависит от токов питания применяемых в их составе аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Поэтому при выборе компонентов для микромощных электронных устройств необходимо учитывать не только типовые характеристики АЦП (число разрядов п двоичного кода и время преобразования ¿пр), но и диапазон питающих напряжений и мощность (ток) их потребления.

В настоящее время зарубежными и отечественными фирмами выпускается большое количество различных микросхем АЦП. При этом оптимальным сочетанием числа разрядов и времени преобразования обладают микромощные АЦП трех типов [15]:

— сигма-дельта АЦП, обеспечивающие высокую разрешающую способность при низком или среднем быстродействии и минимальном энергопотреблении;

— АЦП последовательного приближения (АЦП с поразрядным кодированием), имеющие среднее быстродействие и относительно небольшое разрешение при низкой потребляемой мощности;

— интегрирующие АЦП, характеризующиеся низким быстродействием, но подавляющие высокочастотные помехи и наводки промышленной частоты за счет интегрирования входного сигнала, поэтому обеспечивающие высокую разрешающую способность.

Для сравнения свойств микромощных АЦП в табл. 4 приведены основные параметры микросхем, в том числе мощности и тока потребления Рпот, времени ^пр преобразования, количества двоичных разрядов п, погрешности кодирования у^ и вида аналого-цифрового преобразования [3, 16—19]. Критерий эффективности АЦП рассчитан по удельному значению энергии на бит информации [20]:

ААЦП Рпот ¿пр/2 Рпот tnp У! [пДж/бит].

_Таблица 4

Тип Р J пот, 1пит, V мс n, бит те, % Вид ААЦП,

АЦП мВт мкА (разрядов) АЦП пДж/бит

ADS8887 0,7 180/0,05 0,01 18 0,005 ПП 0,35

ADS8866 0,7 180/0,05 0,01 16 0,005 ПП 0,35

ADS7040 0,55 185/0 0,001 8 0,40 ПП 2,20

ADS7866 1,4 250/0,3 0,005 12 0,025 ПП 1,75

МАХ1110 0,7 140/1,0 0,016 8 0,40 ПП 44,8

ADS1218 0,8 200 1,28 24 0,0015 ед 15,4

ADS1242 0,6 120 33,3 24 0,0015 ед 300

ADS1220 0,4 80 500 24 0,0015 ед 3000

ADS1244 0,3 90/1,3 33,3 24 0,0008 ед 80,0

ADS7788 0,23 75/1 62,5 16 0,002 ед 288

К572ПВ5 15,0 1700 83,3 11 0,050 Инт. 6250

МАХ132 0,6 120 10,0 18 0,005 Инт. 300

Из представленных в табл. 4 АЦП последовательного приближения (1111) следует выделить микросхемы ADS8887 и ADS8866 с током потребления 180 мкА при частоте дискретизации сигнала 100 кГц. Такие АЦП позволяют кодировать входное напряжение, превышающее напряжение питания микросхемы, что дает возможность уменьшать энергопотребление, понижая напряжение питания до минимального значения 2,5 В. Данные микросхемы имеют автоматический режим энергосбережения: уменьшение частоты дискретизации сигнала позволяет во столько же раз уменьшить потребляемый ток. В конце каждого цикла преобразования микросхемы автоматически переходят в режим Power Down с потреблением тока порядка 50 нА, к входам АЦП одновременно подключаются конденсаторы встроенного устройства выборки-хранения (УВХ), которые остаются в этом режиме до следующего импульса, запускающего процесс аналого-цифрового преобразования.

Из микромощных сигма-дельта (ЕД) АЦП особого внимания заслуживает микросхема ADS1220, содержащая коммутатор с сопротивлением канала 3,5 Ом, который в „спящем" режиме работы позволяет автоматически „отключать землю" для снижения энергопотребления (рис. 5). Более совершенный АЦП типа ADS1218 имеет функцию самокалибровки и содержит внутренний цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для коррекции напряжения смещения. Это значительно улучшает точность АЦП при больших коэффициентах усиления входного сигнала. Такой сигма-дельта АЦП после цикла самокалибровки способен различать изменения уровня сигнала на сотые доли микровольта, тогда как у микросхем АЦП с последовательным приближением ошибка от влияния напряжения смещения и его температурного дрейфа составляет 0,1—1 мВ [17].

+иш

Вх.1

BX.2U,

ИОН

з=£

По

+ иш

Г^Г

Смеситель 1 г

1 г Цифровой фильтр и интерфейс

24-битный ед АЦП -> <-

Тактовый генератор Термодатчик

+V

CS

SCLK

DIN

DOUT

XfDRDY

CLK

Рис. 5

Согласно данным табл. 4, минимальными значениями критерия качества (^АцП = =0,35 пДж/бит) характеризуются микромощные АЦП последовательного приближения.

Кроме того, дальнейшее уменьшение энергопотребления таких АЦП можно обеспечить за счет уменьшения питающего напряжения и частоты дискретизации входного сигнала.

Снижение частоты дискретизации, т.е. числа циклов преобразования сигнала на интервале времени, позволяет уменьшить среднее энергопотребление электронных устройств при использовании и обычных микросхем АЦП. В частности, конвейерный 12-разрядный АЦП типа 5101НВ015, выпускаемый компанией „Миландр", имеет потребляемый ток 68 мА за время преобразования 8 нс и критерий качества 0,48 пДж/бит [19]. В случае его применения в ждущем режиме для кодирования сигнала с частотой дискретизации f = 10 с-1 среднее значение тока потребления уменьшится до I = ¡пи^пр/д ~ 5,5 нА.

При разработке микромощных электронных устройств необходимо учитывать, что АЦП входят в состав современных микроконтроллеров. Например, микроконтроллеры серии MSP430F2x/4x содержат 16- и 24-битные сигма-дельта АЦП с дифференциальными входами и регулируемым усилителем и имеют удельный ток потребления 200—400 мкА/МГц.

Таким образом, применение современных микросхем МОУ, компараторов, ИОН и АЦП позволяет реализовывать микромощные электронные устройства с минимальным энергопотреблением без ухудшения их основных характеристик при правильном выборе структурных элементов согласно рассмотренным критериям эффективности. Такое применение способствует комплексному улучшению качественных показателей электронной аппаратуры, обеспечивающему повышение надежности, экономичности и автономности ее работы при одновременном снижении удельной материалоемкости и энергопотребления. При этом улучшение качественных показателей может быть достигнуто при минимальных производственных и эксплуатационных затратах.

Представленные критерии эффективности микромощных электронных устройств необходимо учитывать при разработке универсальных способов, структур и схем построения, обеспечивающих уменьшение энергопотребления электронной аппаратуры при сохранении требуемых технических параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хоровиц П.,Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1998. Т. 3. С. 222—236.

2. Матавкин В. В. Микромощные операционные усилители // Электронные компоненты. 2005. № 5. С. 38—42.

3. Колдунов А. С. Микромощные схемы обработки аналоговых сигналов // Новости электроники. 2014. № 7. С. 10—16.

4. Иванов Д. Операционные усилители с низким энергопотреблением // Компоненты и технологии. 2009. № 11. С. 32—33.

5. Волович Г. И. Современные модели интегральных операционных усилителей // Современная электроника. 2006. № 2. С. 14.

6. Каталог продукции Analog Devices, 2015 [Электронный ресурс]: <www.analog.com/amps>.

7. Каталог продукции Intersil Signal, 2015 [Электронный ресурс]: <www.intersil.com>.

8. Загорский Я. Т., Иванов Б. Р. Микромощные электронные измерительные устройства. М.: Энергоатомиздат, 1993. 320 с.

9. Bryant J. Using Op Amps as Comparators. Analog Devices, Application Note AN-849. 2006.

10. Шитиков А. Выбор источника опорного напряжения // Электронные компоненты. 2002. № 3. С. 28—32.

11. Шрапенин Г. Интегральные датчики температуры и источники опорного напряжения National Semikonductor // Компоненты и технологии. 2007. № 11. С. 47—52.

12. Пушкарев М. Интегральные источники опорного напряжения // Компоненты и технологии. 2007. № 6. С. 71—76.

13. Андреев В. Экономичные стабилизаторы // Радио. 1998. № 6. С. 57—60.

14. Brazil C. ^e Effect of Long-Term Drift on Voltage Reference / Application Notes AN-713. Analog Devices Inc. 2015.

15. ВоловичГ. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Додека-XXI, 2005. 154 с.

16. Колер Э., ДжейсонМ. Компромиссы в АЦП нового поколения // Электронные компоненты. 2013. № 1. С. 81—83.

17. Шейнин М. АЦП на голодной диете. Как снизить энергопотребление входных каскадов приборов сбора данных // Электроника, наука, технология, бизнес. 2015. № 1. С. 52—57.

18. Kazutaka H., Masanori F. A Low-Power Low-Voltage 10-bit 100-MS/s Pipeline A/D Converter Using Capacitance Coupling Techniques // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2007. N 4. Р. 757—765.

19. Агрич Ю., Лифшиц В. Новый АЦП компании «Миландр» — высокое быстродействие и малое энергопотребление // Электроника, наука, технология, бизнес. 2014. № 5. С. 66—72.

20. Ефанов В. М., Цыбуленко Н. И. Информационно-энергетическая модель средств получения и преобразования информации в системах связи // Полупроводниковая электроника в технике связи: сб. ст. / Под ред. И. Ф. Николаевского. М.: Радио и связь, 1984. Вып. 24. С. 137—142.

Сведения об авторах

Юрий Борисович Иванов — канд. техн. наук, доцент; Академия Федеральной службы охраны

Российской Федерации; E-mail: zhmur@yahoo.com

Антон Владимирович Казачкин — Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации;

E-mail: zilog.82@ya.ru

Олег Олегович Басов — канд. техн. наук; Академия Федеральной службы охраны Россий-

ской Федерации; E-mail: oobasov@mail.ru

Рекомендована Академией ФСО РФ Поступила в редакцию

02.06.17 г.

Ссылка для цитирования: Иванов Ю. Б., Казачкин А. В., Басов О. О. Критерии эффективности микромощных

электронных устройств // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60, № 12. С. 1146—1156.

CRITERIA FOR EFFICIENCY OF MICROPOWER ELECTRONIC DEVICES Yu. B. Ivanov, A. V. Kazachkin, O. O. Basov

Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation, 302034, Oryol, Russia

E-mail: zhmur@yahoo.com

The use of micropower electronic devices in the construction of electronic equipment is a promising direction to improve its operation reliability. Reducing energy consumption and maintaining the required technical parameters of electronic devices are mutually exclusive requirements, therefore it is necessary to evaluate their effectiveness based on certain criteria. To assess the efficiency of micropower operational amplifiers, comparators, reference voltage sources and analog-to-digital converters, their basic properties and parameters are considered. A comparative analysis of the main parameters of foreign and domestic microcircuits is carried out. Criteria are presented for the efficiency of micropower electronic devices that take into account the minimum energy consumption without deterioration of their main characteristics, as well as minimization of structural complexity and simplification of construction schemes. For construction of micropower electronic devices several recommendations are formulated for selection of elements improving the device reliability, economy, and autonomy of the operation of the electronic equipment while reducing the specific material consumption and energy consumption.

Keywords: operational amplifiers, micropower comparators, reference voltage sources, analog-to-digital converters, specific power consumption, specific current, specific energy value

Data on authors

Yury B. Ivanov — PhD, Associate Professor; Academy of the Federal Security Service of the

Russian Federation; E-mail: zhmur@yahoo.com

Anton V. Kazachkin — Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation;

E-mail: zilog.82@ya.ru

Oleg O. Basov — PhD; Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation;

E-mail: oobasov@mail.ru

For citation: Ivanov Yu. B., Kazachkin A. V., Basov O. O. Criteria for efficiency of micropower electronic devices. Journal of Instrument Engineering. 2017. Vol. 60, N 12. P. 1146—1156 (in Russian).

DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-12-1146-1156