A causa dei numerosi produttori e delle migliaia di prodotti, è difficile calcolare con precisione la quantità specifica. Ciò non include le varianti derivate dal modello base che differiscono solo leggermente nei parametri elettrici, nei valori di temperatura o nella forma del pacchetto.
Questi componenti analogici di base, semplici e versatili svolgono un ruolo chiave nel front-end di simulazione dell'elaborazione del segnale (AFE), nei filtri e nelle interfacce dei sensori. I circuiti hanno già molte funzioni da implementare, ma l’emergere dell’intelligenza artificiale edge (AI), dei controller intelligenti e di una miriade di altre applicazioni che devono interagire con il mondo reale allunga ulteriormente l’elenco dei requisiti funzionali.
Data la gamma completa di amplificatori operazionali disponibili sul mercato, che vanno dalla fascia media alla precisione di fascia alta, è facile supporre che i nuovi prodotti non siano più necessari. Tuttavia, le recenti versioni di nuovi prodotti hanno dimostrato ancora una volta quanto sia ingenua questa ipotesi.
Le ultime innovazioni degli amplificatori operazionali per una deriva ultra-bassa
Nell’ultimo anno, i fornitori mainstream e di medio livello hanno lanciato dozzine di nuovi amplificatori operazionali. Alcuni di questi sono prodotti altamente specializzati, come gli amplificatori operazionali ad alta tensione o gli amplificatori operazionali isolati elettricamente, ma la maggior parte sono ancora architetture comuni, ottimizzate in modo significativo solo in alcune specifiche.
I seguenti tre amplificatori operazionali recentemente rilasciati hanno caratteristiche di deriva ultra-bassa:
Analog Devices MAX74810ARMZ-RL: un amplificatore operazionale chopper stabile, a basso consumo energetico, a doppio canale, deriva zero con basso rumore, ingresso con induzione di terra e uscita rail-to-rail per mantenere un'elevata precisione complessiva nel tempo, variazioni di temperatura e tensione
STMicroelectronics TSZ901IYLT: un amplificatore operazionale certificato AEC-Q100, appartenente alla serie TSZ dell'azienda, con deriva prossima allo zero e tensione di offset ultrabassa, entrambi attributi chiave per il condizionamento del segnale di sensori ad alte prestazioni
TLV488PWR di Texas Instruments: amplificatore operazionale di precisione CMOS compatibile con multiplexer, stabile con chopper, 36 V, 14 MHz, deriva zero, 4 canali
Dilemmi comuni tra fornitori e progettisti
Per questo tipo di dispositivo molto popolare, sia il fornitore che l'utente hanno un atteggiamento complesso e contraddittorio nei confronti dell'amplificatore operazionale tradizionale. I fornitori vogliono continuare a produrre questi dispositivi legacy perché sono redditizi e i loro processi di produzione e test sono prevedibili; Gli utenti ne hanno bisogno perché ne comprendono le prestazioni e le sfumature. Allo stesso tempo, entrambe le parti sperano di ottenere i potenziali vantaggi dei nuovi prodotti: vincoli di mercato a lungo termine per i fornitori e migliori prestazioni del sistema per gli utenti.
Sebbene gli amplificatori operazionali siano semplici moduli di base in funzione, contengono un gran numero di parametri prestazionali importanti e spesso molto sottili. Sebbene i test richiesti e la successiva analisi dei dati siano altamente automatizzati, il tempo e lo sforzo necessari per avviare, completare e documentare questi sforzi sono ancora significativi.- g.
Uno dei parametri chiave e difficili da testare completamente sono le caratteristiche di variazione della corrente di polarizzazione in ingresso (IB) con la temperatura, come mostrato in MAX74810ARMZ-RL (Fig. 1).
Figura 1: curva IB di MAX74810ARMZ RL con temperatura; Queste curve sono fondamentali per la precisione dei progettisti AFE. Fonte immagine: dispositivi analogici)
Le specifiche degli amplificatori operazionali in genere forniscono statistiche sulla distribuzione della tensione di skew di ingresso (VIO) per migliaia di dispositivi sottoposti a test. Questi grafici (ad esempio la Figura 2 per TSZ901IYLT) forniscono all'utente la certezza che il processo di produzione del fornitore è stabile e gestibile, migliorando così in modo significativo l'affidabilità della simulazione e la sicurezza della progettazione.
Figura 2: Il diagramma di distribuzione VIO di TSZ901IYLT fa credere ai progettisti che il processo di produzione sia rigorosamente controllato. Fonte immagine: STMicroelectronics)
Il fornitore deve anche indicare i valori massimi (o minimi) per alcuni parametri poiché i valori tipici sono solo per una stima preliminare e non soddisfano i requisiti per un'analisi completa del sistema tramite strumenti come Spice. Le tabelle dei parametri dell'amplificatore operazionale, come la Figura 3 per TLV488PWR, forniscono valori tipici e massimi nell'intero intervallo di temperature per supportare rigorose valutazioni ingegneristiche. Questi parametri sono solitamente presentati in forma tabellare, compresi i valori tipici di parametri quali la tensione di offset e la corrente di polarizzazione in ingresso.
Figura 3: I valori tipici e massimi sono richiesti per una valutazione rigorosa della progettazione di dispositivi come TLV488PWR; Il fornitore dell'amplificatore operazionale fornirà in forma tabellare quanto richiesto. Fonte immagine: Texas Instruments)
Quali sono i vantaggi di un fornitore che lancia un nuovo prodotto?
Vale la pena investire e sostenere costi in ricerca e sviluppo così ingenti per i fornitori? Nel complesso, la risposta è sì. Un simulatore di successo è spesso in grado di contribuire costantemente a ricavi stabili e redditizi per molti anni. Se il fornitore riesce a ottenere una combinazione accurata di funzioni, caratteristiche e specifiche prestazionali e ad eguagliare il prodotto di successo del cliente, è probabile che l'amplificatore operazionale venga utilizzato nei progetti attuali e di prossima generazione. Alla fine si ottiene un'alternativa al modello tradizionale preferito.
Non è facile sostituire un dispositivo maturo. A differenza dei processori, un amplificatore operazionale affidabile, una volta adottato, viene solitamente utilizzato per un lungo periodo anziché essere facilmente sostituito. Perché, allora, i progettisti non sono disposti a sostituire i vecchi amplificatori operazionali relativamente scadenti con nuovi modelli?
Il motivo è che i dispositivi analogici sono più sensibili alle caratteristiche sottili e alle differenze individuali nei processi di progettazione, layout e produzione rispetto ai dispositivi digitali. I progettisti esperti di circuiti analogici non sono disposti a sostituire facilmente nuovi dispositivi e a sostenere costi di apprendimento e verifica a meno che non vi siano ragioni sufficienti; I progettisti che tendono ad essere digitali sono riluttanti ad approfondire i dettagli della simulazione. La loro idea generale è: "Finché è sufficiente, mantienilo invariato e continua ad andare avanti con il progetto".
Per fornitori e progettisti, ci sono altri vantaggi a lungo termine derivanti dal nuovo prodotto:
Processi di produzione e test maturi riducono significativamente i rischi di produzione e fornitura.
I miglioramenti della tecnologia di produzione e una maggiore resa possono portare a margini più elevati per i fornitori.
Le parti sono state elencate negli elenchi dei fornitori e dei componenti approvati da molti progettisti OEM, quindi l'azienda non ha alcun problema quando le aggiunge alla distinta base del prodotto (BOM).
Un tipico esempio di questo concetto di design "non facile da sostituire" sono gli amplificatori per strumenti Burr Brown INA133, una speciale topologia di amplificatore operazionale. Il dispositivo è stato introdotto intorno al 1998 e offre ancora una varietà di pacchetti e qualità, come INA133UA/2K5 di Texas Instruments (acquisito quando Burr-Brown è stata acquisita nel 2000).
Naturalmente, di fronte a un gran numero di amplificatori operazionali vecchi e nuovi, come selezionare il modello più appropriato per applicazioni specifiche è diventata una sfida importante. Alcuni designer iniziano con un numero limitato di fornitori fidati, mentre altri si affidano all'esperienza nel settore. L'intelligenza artificiale può essere in grado di aiutare qui inserendo i valori minimo/massimo dei parametri richiesti, dei parametri previsti e di altri parametri, che restituisce un elenco di amplificatori operazionali idonei ordinati per priorità.
Questo è un buon punto di partenza, ma non esiste modo migliore per restringere la selezione e comprendere veramente le sfumature di questi dispositivi che cercare la documentazione e comunicare individualmente con i contatti dei fornitori.