Компания Microchip Technology Inc., широко известная прежде всего благодаря производству разнообразных PIC-микроконтроллеров, в последнее время зарекомендовала себя как производитель различных аналоговых компонентов. На сегодняшний момент Microchip выпускает огромное количество разнообразных микросхем аналоговой обработки сигналов. В общем виде фирма выделяет следующие группы своей продукции:

• датчики температуры;
• контроллеры электродвигателей вентиляторов;
• линейные регуляторы и импульсные преобразователи напряжения;
• DC-DC конверторы на переключаемых конденсаторах и ШИМ-контроллеры;
• супервизоры питания и источники опорного напряжения;
• драйверы MOSFET (мощных МОП-транзисторов);
• устройства заряда батарей питания, в т.ч. на основе технологии PowerSmart®;
• операционные усилители, компараторы, программируемые усилители (PGA);
• АЦП и ЦАП, цифровые потенциометры;
• преобразователи напряжение/частота и частота/напряжение;
• микросхемы для организации CAN-интерфейса, IrDA, Lin Bus трансиверы;

В настоящей статье будут подробно рассмотрены АЦП, ЦАП, усилители и источники опорного напряжения, разработкой и производством которых занимается компания Microchip. Все операционные усилители и источники опорного напряжения Microchip, описанные в этой статье, предназначены для работы в промышленном диапазоне температур от -40°С до +85°С. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Microchip предлагает несколько семейств АЦП, различающихся принципом преобразования аналогового сигнала в цифровой (таблица 1):

• АЦП последовательного приближения (т.н. SAR-АЦП);
• сигма-дельта АЦП;
• АЦП двойного интегрирования (Dual Slope);
• двоичные и BCD АЦП;
• специализированные АЦП для работы с ЖКИ или светодиодным дисплеем.

Серия MCP3XXX включает АЦП последовательного приближения с различной разрядностью: 10-ти, 12-ти разрядные приборы, а также 12-ти разрядные АЦП со знаком. Частота дискретизации при разрешении 10 бит может достигать 200 ksps. Это самые быстродействующие АЦП фирмы Microchip. Для передачи цифровой информации используется простой последовательный интерфейс SPI или I²C. АЦП данной серии обладают превосходной линейностью: дифференциальная и интегральная нелинейность не превышает ±1LSB и работают в индустриальном диапазоне температур.


На рис.1 показана функциональная схема одноканального АЦП MCP3001. Он имеет дифференциальный вход, сигнал с которого подаётся на устройство выборки и хранения (УВХ). Блок управляющей логики вырабатывает тактирующие импульсы для УВХ и выполняет приращение содержимого 10-ти битного регистра SAR (Successive Approximation Register). Цикл преобразования начинается с обнуления этого регистра и фиксации напряжения на выходе УВХ по сигналу от блока логики. Последовательное увеличение содержимого регистра SAR вызывает рост напряжения на выходе подключенного к нему встроенного ЦАПа. Когда это напряжение становится равным выходному напряжению УВХ (т.е. напряжению на входе АЦП в момент начала цикла преобразования) компаратор вырабатывает сигнал завершения преобразования. После этого содержимое регистра SAR последовательно через регистр сдвига подается на выход АЦП.

Сигма-дельта АЦП серии TC340X обладают высоким разрешением в пределах от 10 до 16 бит. Некоторые приборы имеют четыре дифференциальных или одиночных входа в одном корпусе. Время преобразования зависит от выбранной разрядности. При разрешении 15 бит со знаковым битом АЦП выполняет 8 преобразований в секунду (8 sps). При уменьшении разрешения до 10-ти бит скорость преобразования повышается до 512 sps. Рабочее напряжение однополярное и лежит в диапазоне 1,8-5,5В. Ток потребления в активном режиме не превышает 300 мкА, а режиме «сна» снижается до 0,75 мкА. В приборе реализована функция автоматического перехода в режим «сна», которая активизируется, если преобразования не совершаются. Управление и считывание результата в АЦП этой серии производится по 2-х проводному последовательному интерфейсу microPort (подобный SPI). В качестве источника опорного напряжения может использоваться либо встроенный источник на 1.193В, либо внешний, для подключения которого имеется специальный вывод.

Серия сигма-дельта АЦП ТС340Х великолепно подходит для использования в различных встраиваемых системах и устройствах с батарейным питанием.

АЦП двойного интегрирования серии TC5X0 обладают очень высокой точностью при разрядности 17 бит. Они имеют полностью дифференциальный вход со схемой автоматического определения полярности входного напряжения. Взаимодействие с управляющим микроконтроллером происходит по 3-х проводной шине. Гибкий механизм выбора необходимой точности преобразования в зависимости от допустимой минимальной скорости позволяет выполнять от 4 до 10 преобразований в секунду. Микросхемы TC510/TC514 имеют интегрированный преобразователь напряжения для получения отрицательного напряжения при однополярном питании. Для коммутации входов в 4-х канальном АЦП TC514 встроен дифференциальный аналоговый мультиплексор. Особенности схемотехники преобразователей серии ТС5Х0 позволяют ослаблять шумовые наводки на частотах 50/60Гц. В совокупности низкая потребляемая мощность, минимальное число внешних соединений, низкие входные токи смещения, низкая стоимость и высокое разрешение делают эту серию АЦП предпочтительной в использовании в сравнении с преобразователями, имеющими такую же скорость, но построенных по другим архитектурам.

Двоичный АЦП TC850 имеет разрядность 15 бит плюс бит знака. Обеспечивается до 40 преобразований в секунду при следующих прочих характеристиках:

• широкий динамически диапазон 96 дБ;
• низкий входной ток смещения 30 пА;
• чувствительность 100 мкВ;
• трехстабильная выходная шина данных;
• двуполярное питающее напряжение ±5В при потребляемой мощности 20 мВт;

40-выводный корпус PDIP, CERDIP или 44-выводной корпус PLCC.

Для использования с устройствами вывода информации, такими как ЖКИ и светодиодные дисплеи, Microchip производит специализированные АЦП (TC7XXX), позволяющие с их помощью напрямую управлять индикаторами. Это особенно удобно для использования в цифровых мультиметрах и других портативных измерительных устройствах. Такие АЦП позволяют выводить на индикатор до 4,5 цифр. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ


Группа микросхем ЦАП насчитывает три прибора TC1320, TC1321 и TC1322, основное отличие между которыми заключается в различном разрешении: 8, 10 и 12 бит соответственно.


Устройство и принцип действия ЦАП фирмы Microchip можно рассмотреть на основе 10-ти разрядного прибора TC1321. Он представляет собой монолитный прибор, рассчитанный на питание от однополярного источника напряжения от 2,7В до 5,5В. Микросхема содержит (рис.2) регистр данных, регистр конфигурации и выходной усилитель тока. Типичная величина нарастания напряжения выходного усилителя составляет 0,8В/сек. Для работы ТС1321 необходим внешний источник опорного напряжения, который также задает максимальное значение выходного напряжения. В TC1321 используется ЦАП с токовым регулированием, основанный на массиве согласованных источников тока. Результирующий ток, протекая через прецизионный резистор, конвертирует содержимое регистра данных с учетом напряжения опорного источника V_REF в выходное напряжение, равное: V_вых=V_REF*(DATA/1024), где DATA – число в регистре данных.

Управление ЦАПом осуществляется по 2-х проводному последовательному интерфейсу SMBus/I²C. Микросхема потребляет в рабочем режиме ток 350 мкА, в выключенном состоянии 0,5 мкА. Переход в рабочий режим выполняется установкой соответствующего бита в регистре конфигурации. Прибор предназначен для работы в промышленном диапазоне температур от -40°С до +85°С и выпускается в 8-выводном корпусе SOIC или MSOP.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ и КОМПАРАТОРЫ

Фирмой Microchip производится широкая гамма операционных усилителей (таблица 2), некоторые из которых имеют потребление ниже 1 мкА (MCP60XX). Наиболее быстродействующая серия с полосой пропускания до 10 МГц представлена семейством MCP602X. Все операционные усилители работают от однополярного источника напряжением до 5,5В, а некоторые серии сохраняют работоспособность при напряжении 1,4В. Также все усилители имеют выходной сигнал с размахом, равным напряжению источника питания (rail-to-rail), а многие рассчитаны на rail-to-rail входной сигнал. Ряд устройств были разработаны с учетом снижения результирующего напряжения смещения нуля (VOS) до 150 мкВ.

В семейство MCP60X входят операционные усилители, ориентированные на работу с одним источником питания 2,7В. Они имеют широкую полосу пропускания до 2,8МГц и низкий потребляемый ток около 230 мкА. Эти устройства изготовлены по усовершенствованной КМОП-технологии Microchip, обеспечивающей малый ток смещения, высокую скорость работы и большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи. Все приборы семейства могут работать при питающем напряжении от 2,7В до 5,5В. Диапазон входного синфазного сигнала может быть на 0,3В ниже «земли», что делает эти устройства идеальными для работы с однополярными источниками питания. Операционные усилители имеют единый стабильный коэффициент усиления. В одном корпусе доступны версии с одним (MCP601), двумя (MCP602) и четырьмя (MCP604) усилителями.

Все семейства компараторов с префиксом ТС работают при напряжении 1,8В-5,5В при VOS ниже 5мВ. Некоторые устройства (например, TC1031) имеют интегрированный источник опорного напряжения на 1.2В, вывод выключения и возможность программировать величину гистерезиса. Компараторы серии MCP654X работоспособны при напряжении от 1,6В до 5,5В и имеют VOS ниже 6,5мВ. Типичное потребление тока составляет всего 600 нА. Компараторы MCP6546/MCP6547/MCP6548/MCP6549 имеют выход с открытым стоком и позволяют работать с напряжением на выходе до 10В. На их основе можно легко реализовать преобразователи уровня.

Отдельные микросхемы (TC1026 и TC1043) представляют собой комбинированные устройства, содержащие в одном корпусе операционный усилитель, компаратор и источник опорного напряжения, что позволяет разработчикам создавать на их основе более компактные устройства.

Операционные усилители Microchip могут использоваться в широком спектре приложений:
Пользователям, в чьи задачи входит проектирование активных фильтров, фирма Microchip предлагает бесплатное программное обеспечение FilterLab®, доступное на сайте компании. Оно представляет собой программный инструмент, позволяющий значительно упростить процедуру разработки активных фильтров на операционных усилителях. После задания исходных данных FilterLab® рисует схемотехническое решение (в топологии Саллен-Кея или с «множественными обратными связями») с перечнем необходимых компонентов и их номиналов, а также частотно-временные зависимости. С помощью этой программы возможна разработка фильтров Баттерворта, Бесселя или Чебышева от 1-го до 8-го порядка. Специальная процедура позволят оптимизировать фильтр для использования с конкретным АЦП, основываясь на его разрешении и частоте дискретизации.

УСИЛИТЕЛИ С ПРОГРАММИРУЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ



Microchip выпускает серию усилителей MCP6S21/MCP6S22/MCP6S26/MCP6S28 с программируемым через SPI-порт коэффициентом усиления (PGA). Они могут быть сконфигурированы на коэффициент усиления от 1 до 32, а с помощью входного аналогового мультиплексора возможен выбор необходимого входного канала. Через SPI-порт возможно выключение устройства. Усилители оптимизированы для высоких скоростей, имеют низкое напряжение смещения нуля и питаются от однополярного источника. Внутренняя структура микросхемы MCP6S28 представлена на рис.3. Она включает в себя восьмиканальный мультиплексор, управляемый блоком логики SPI-порта, операционный усилитель, набор резисторных делителей и их коммутаторы. Помимо этого, устройство имеет схему POR (Power-On Reset), осуществляющую сброс регистров внутренней логики в случае снижения уровня питающего напряжения до критического значения.

PGA-усилители семейства MCP6S2X обладают следующими возможностями:

ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Семейство источников опорного напряжения MCP15XX представлено двумя устройствами: MCP1525 (выходное напряжение 2,5В) и MCP1541 (4,096В). Они характеризуются малой стоимостью, низкой потребляемой мощностью и малым проходным напряжением. Благодаря своей универсальности приборы идеально подходят для применения в 3В и 5В системах в условиях изменения входного напряжения в широких пределах. Напряжение на входе для микросхемы MCP1525 может быть от 2,7В до 5,5В, для MCP1541: от 4,3В до 5,5В. Они обеспечивают точность 1% во всем диапазоне рабочей температуры и ток в нагрузке до 2мА при очень малом собственном потреблении порядка 100 мкА при 25°С. Максимальный дрейф выходного напряжения не превышает 50 ppm/25°С.

Источники опорного напряжения MCP15XX выпускаются в 3-х выводных корпусах SOT-23 и TO-92. Их стоимость при объеме закупок свыше 1000 шт. составляет 0.37$.

В заключение хотелось бы отметить, что аналоговые компоненты фирмы Microchip специально ориентированы на использование совместно с микроконтроллерами в качестве дополняющих элементов, расширяющих возможности разработчика в плане создания завершенных устройств на основе продукции фирмы. В этом смысле они являются наиболее предпочтительными с учетом их низкой стоимости и степени функциональной насыщенности.

• системы управления промышленными процессами;
• переносные устройства с питанием от батарей;
• портативное оборудование;
• системы сбора информации;
• сглаживающие фильтры.
• мультиплексируемые входы: от 1 до 8 каналов в зависимости от типа микросхемы;
• 8 изменяемых коэффициентов усиления: 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16 или 32;
• управление через SPI-порт;
• rail-to-rail вход и выход;
• низкая ошибка установки коэффициента усиления: максимум ±1%;
• низкое напряжение смещение нуля: не более ±275 мкВ;
• высокая полоса пропускания: от 2 до 12 МГц;
• низкий уровень собственных шумов: 10нВ/Гц1/2 при 10 кГц;
• низкий потребляемый ток 1 мА;
• однополярный источник питания от 2,5В до 5,5В.