Vanwege de vele fabrikanten en duizenden producten is het moeilijk om de specifieke hoeveelheid nauwkeurig te berekenen. Dit geldt niet voor varianten die zijn afgeleid van het basismodel en die slechts in geringe mate verschillen wat betreft elektrische parameters, temperatuurwaarden of pakketvorm.
Deze eenvoudige, eenvoudige en veelzijdige analoge componenten spelen een sleutelrol in signaalverwerkingssimulatie front-end (AFE), filters en sensorinterfaces. Circuits moeten al veel functies implementeren, maar de opkomst van kunstmatige intelligentie (AI), intelligente controllers en een groot aantal andere toepassingen die moeten communiceren met de echte wereld, verlengt de lijst met functionele vereisten nog verder.
Gezien het volledige assortiment operationele versterkers dat op de markt verkrijgbaar is, variërend van voldoende middenklasse tot hoge precisie, is het gemakkelijk om aan te nemen dat nieuwe producten niet langer nodig zijn. Recente releases van nieuwe producten hebben echter opnieuw aangetoond hoe naïef deze veronderstelling is.
Nieuwste innovaties op het gebied van operationele versterkers voor ultralage drift
Het afgelopen jaar hebben reguliere en middelgrote leveranciers tientallen nieuwe operationele versterkers gelanceerd. Sommige hiervan zijn zeer gespecialiseerde producten, zoals operationele versterkers met hoge spanning of elektrisch geïsoleerde operationele versterkers, maar de meeste zijn nog steeds gangbare architecturen, die alleen in sommige specificaties aanzienlijk zijn geoptimaliseerd.
De volgende drie onlangs uitgebrachte operationele versterkers hebben ultra-lage driftkarakteristieken:
Analog Devices MAX74810ARMZ-RL: Een chopper-stabiele, laag stroomverbruik, tweekanaals, nul-drift operationele versterker met lage ruis, aardinductie-ingang en rail-naar-rail-uitgang om een hoge algehele nauwkeurigheid te behouden in de loop van de tijd, temperatuur- en spanningsvariaties
STMicroelectronics TSZ901IYLT: een operationele versterker gecertificeerd door AEC-Q100, behorend tot de TSZ-serie van het bedrijf, met bijna nul-drift en ultra-lage offsetspanning, die beide belangrijke kenmerken zijn voor signaalconditionering van hoogwaardige sensoren
TLV488PWR van Texas Instruments: een 36 V, 14 MHz Chopper Stabiel, Zero Drift, 4-kanaals, multiplexervriendelijke CMOS-precisie operationele versterker
Veel voorkomende dilemma’s tussen leveranciers en ontwerpers
Voor dit soort zeer populaire apparaten hebben zowel de leverancier als de gebruiker een complexe en tegenstrijdige houding ten opzichte van de traditionele operationele versterker. Leveranciers willen deze oudere apparaten blijven produceren omdat ze winstgevend zijn en hun productie- en testprocessen voorspelbaar zijn; Gebruikers hebben ze nodig omdat ze hun prestaties en nuances begrijpen. Tegelijkertijd hopen beide partijen de potentiële voordelen van nieuwe producten te kunnen benutten: marktbinding op lange termijn voor leveranciers en betere systeemprestaties voor gebruikers.
Hoewel operationele versterkers qua functionaliteit eenvoudige basismodules zijn, bevatten ze een groot aantal belangrijke en vaak zeer subtiele prestatieparameters. Hoewel de vereiste tests en de daaropvolgende data-analyse in hoge mate geautomatiseerd zijn, is de tijd en moeite die nodig is om deze inspanningen te initiëren, voltooien en documenteren nog steeds aanzienlijk.
Een van de belangrijkste en moeilijkste parameters om volledig te testen zijn de variatiekarakteristieken van de ingangsvoorspanningsstroom (IB) met de temperatuur, zoals weergegeven in MAX74810ARMZ-RL (Fig. 1).
Figuur 1: IB-curve van MAX74810ARMZ RL met temperatuur; Deze curven zijn van cruciaal belang voor nauwkeurige AFE-ontwerpers. Afbeeldingsbron: analoge apparaten)
Specificaties van operationele versterkers bieden doorgaans statistieken over de verdeling van de ingangs-skew-spanning (VIO) voor duizenden apparaten die worden getest. Deze grafieken (bijvoorbeeld Figuur 2 voor TSZ901IYLT) geven de gebruiker het vertrouwen dat het productieproces van de leverancier stabiel en beheersbaar is, waardoor de simulatiebetrouwbaarheid en het ontwerpvertrouwen aanzienlijk worden verbeterd.
Figuur 2: Het VIO-distributiediagram van TSZ901IYLT doet de ontwerpers geloven dat het productieproces strikt gecontroleerd wordt. Afbeeldingsbron: STMicroelectronics)
De leverancier moet voor sommige parameters ook de maximale (of minimale) waarden aangeven, aangezien de typische waarden alleen voor voorlopige schattingen gelden en niet voldoen aan de vereisten voor een volledige systeemanalyse door tools zoals Spice. Parametertabellen voor operationele versterkers, zoals Figuur 3 voor TLV488PWR, geven typische en maximale waarden over het volledige temperatuurbereik ter ondersteuning van rigoureuze technische evaluaties. Deze parameters worden gewoonlijk in tabelvorm weergegeven, inclusief typische waarden van parameters zoals offsetspanning en ingangsvoorspanningsstroom.
Afbeelding 3: Typische en maximale waarden zijn vereist voor een rigoureuze ontwerpevaluatie van apparaten zoals TLV488PWR; De leverancier van de operationele versterker zal de gegevens indien nodig in tabelvorm verstrekken. Bron afbeelding: Texas Instruments)
Wat zijn de voordelen als een leverancier een nieuw product lanceert?
Zijn zulke enorme R&D-investeringen en -kosten de moeite waard voor leveranciers? Over het geheel genomen is het antwoord ja. Een succesvolle simulator is vaak in staat om gedurende vele jaren consistent stabiele en winstgevende inkomsten bij te dragen. Als de leverancier een nauwkeurige combinatie van functies, kenmerken en prestatiespecificaties kan realiseren en kan matchen met het succesvolle product van de klant, zal de operationele versterker waarschijnlijk worden gebruikt in de huidige en volgende generatie ontwerpen. Uiteindelijk wordt een alternatief voor het traditionele voorkeursmodel gerealiseerd.
Het is niet eenvoudig om een volwassen apparaat te vervangen. In tegenstelling tot processors wordt een betrouwbare operationele versterker, eenmaal aangenomen, gewoonlijk lange tijd gebruikt in plaats van gemakkelijk te worden vervangen. Waarom zijn ontwerpers dan niet bereid om oude, relatief slechte operationele versterkers te vervangen door nieuwe modellen?
De reden hiervoor is dat analoge apparaten gevoeliger zijn voor subtiele kenmerken en individuele verschillen in ontwerp, lay-out en productieprocessen dan digitale apparaten. Ervaren ontwerpers van analoge circuits zijn niet bereid nieuwe apparaten gemakkelijk te vervangen en leer- en verificatiekosten te dragen, tenzij er voldoende redenen zijn; Ontwerpers die neigen digitaal te zijn, zijn terughoudend om diep in de simulatiedetails te duiken. Hun algemene idee is: "Zolang het voldoende is, laat het onveranderd en blijf doorgaan met het project."
Voor leveranciers en ontwerpers zijn er nog andere langetermijnvoordelen aan het nieuwe product verbonden:
Volwassen productie- en testprocessen verminderen de productie- en leveringsrisico's aanzienlijk.
Verbeteringen in de productietechnologie en een hogere opbrengst kunnen leiden tot hogere marges voor leveranciers.
Onderdelen zijn vermeld op de door veel OEM-ontwerpers goedgekeurde leveranciers en componentenlijsten, dus het bedrijf hoeft zich geen zorgen te maken over het toevoegen ervan aan de Product Bill of Material (BOM).
Een typisch voorbeeld van dit "niet gemakkelijk te vervangen" ontwerpconcept zijn de Burr Brown INA133 instrumentversterkers, een speciale operationele versterkertopologie. Het apparaat werd rond 1998 geïntroduceerd en biedt nog steeds een verscheidenheid aan pakketten en kwaliteiten, zoals de INA133UA/2K5 van Texas Instruments (overgenomen toen Burr-Brown in 2000 werd overgenomen).
Gezien het grote aantal nieuwe en oude operationele versterkerproducten is het natuurlijk een grote uitdaging geworden om het meest geschikte model voor specifieke toepassingen te selecteren. Sommige ontwerpers beginnen met een klein aantal vertrouwde leveranciers, terwijl anderen vertrouwen op ervaring in de sector. AI kan hier mogelijk helpen door de minimum-/maximumwaarden van vereiste parameters, verwachte parameters en andere parameters in te voeren, wat een lijst met geschikte operationele versterkers oplevert, gesorteerd op prioriteit.
Dit is een goed startpunt, maar er is geen betere manier om de selectie te beperken en de nuances van deze apparaten echt te begrijpen dan door documentatie op te zoeken en één-op-één te communiceren met contactpersonen van leveranciers.