Маленькие китайские хитрости, или Чоппер, но не мотоцикл

Все мы уже давно в курсе, что на Алиэкспрессе процветает практика подделки чипов — под видом популярных микросхем продавцы выставляют что попало, часто даже не отбраковку, а просто какие-​то абсолютно другие чипы, другого назначения, но в нужном корпусе, на котором сошлифовывают старую и наносят новую маркировку. Например, вместо микроконтроллера можно получить какой-​нибудь шестифазный контроллер питания, последний раз широко использовавшийся в материнских платах для Pentium IV.

Однако сегодня я обнаружил более интересный кульбит: выпуск вполне себе крупным производителем (достаточно крупным, чтобы продукция его попала к основным дистрибьюторам, от LCSC до российских компаний) микросхемы, которая названием и частью функций мимикрирует под популярный чип Texas Instruments — в достаточной степени, чтобы во многих случаях «прокатило», а также чтобы не слишком опытный разработчик не заметил разницы.

Итак, встречайте: HGSEMI OPA376M, в девичестве — GS8591. К практически одноимённому (суффикса «M» у оригинала не бывает) и очень популярному TI OPA376 не имеющий никакого отношения, кроме цоколёвки и названия.

Чоппер, но не мотоцикл

Одной из важных характеристик операционного усилителя (ОУ) является напряжение смещения Vos — или, говоря проще, напряжение ошибки на его входах. Любой неидеальный ОУ при отсутствии входного сигнала выдаёт выходной так, как будто бы на самом деле входной сигнал равен Vos.

Напряжение смещения обычно составляет от единиц микровольт до единиц милливольт — и, соответственно, доставляет серьёзные неудобства при работе с низковольтными источниками: термопарами, шунтами и так далее. Особенно — если оно отрицательное, а схема однополярная: тогда на выходе ОУ будет просто 0, пока напряжение входного сигнала не превысит Vos, и никакой калибровкой это устранить невозможно.

Напряжение смещения имеет некоторое статистическое распределение и зависит от конкретного экземпляра ОУ, для примера выше — результаты тестирования оригинальных TI OPA376 из даташита: типовое Vos для них заявляется равным 5 мкВ, максимальное — 25 мкВ. Кроме того, Vos зависит от температуры, и довольно прилично: порядка 1 мкВ/°C.

Задача создания усилителя с очень низким напряжением смещения, впрочем, была решена давно, ещё до появления интегральных ОУ, в 1950‑х годах, с помощью так называемого чоппера — устройства, на тот момент ещё электромеханического.

Классический чоппер переключал вход и выход обычного, далёкого от идеального, усилителя между входом, выходом и землёй. В положении «Z» (Zero) конденсаторы C2 и C3 заряжались до напряжения смещения усилителя AMP, в положении «S» (Sampling) — до напряжения входного сигнала. Таким образом, в каждом цикле чоппер аппаратно вычитал Vos из входного сигнала, компенсируя его.

Более того, так как чоппер работает непрерывно — он ещё и устраняет температурный дрейф Vos, уменьшая его на порядки, до менее чем 0,01 мкВ/°С.

У классического чоппера, впрочем, есть серьёзный недостаток: частота входного сигнала должна быть в разы меньше частоты переключения чоппера — иначе его сэмплирование чоппером будет значительно искажать его форму. В общем, классический чоппер — только для медленных сигналов.

Чтобы исправить этот недостаток, учёные изобрели чуть более сложную схему: усилитель, в котором основная часть — это обычный неидеальный ОУ, а сбоку к нему приделан второй усилитель, корректирующий нуль основного ОУ.

Принцип корректировки же заключается в том, что в нормальном режиме работы у идеального ОУ, охваченного обратной связью, сигналы на обоих входах должны быть абсолютно одинаковы (любое изменение вызывает изменение выхода и коррекцию второго входа через обратную связь). Приданный этому ОУ чоппер работает в две фазы: «Z» — корректирует себя самого так, чтобы иметь на выходе 0 при замкнутых накоротко собственных входах, то есть устраняет свой собственный Vos, и «S» — корректирует основной усилитель так, чтобы у него на входах были одинаковые сигналы.

Такая схема, называющаяся чоппер-​стабилизированным ОУ (а ещё чаще — ОУ с нулевым дрейфом, zero drift op-​amp, хотя это название отражает лишь часть свойств), работает во всей полосе частот, которую способен вытянуть основной усилитель, и одновременно с этим имеет очень низкое (единицы микровольт) напряжение смещения и практически нулевой (< 0,01 мкВ/°С) дрейф.

И главное — стоит она дёшево, потому что «правильно собранная схема в дополнительной настройке не нуждается». Чоппер с очень высокой точностью корректирует себя сам просто в силу физики своей работы.

Разумеется, all magic comes with a price, поэтому без недостатков у чопперов также не обошлось:

• интермодуляционные искажения: разумеется, наличие внутри усилителя переключателей с килогерцовыми (обычно от 4 до 100+ кГц) частотами не может не сказываться на его выходе — вы имеете все шансы увидеть «двойников» вашего входного сигнала на высоких частотах, хоть и с очень невысоким уровнем;
• сравнительно большой ток входа и ток смещения входа из-​за того, что чоппер подключается непосредственно ко входу усилителя — но мы говорим о величинах порядка 50–150 пА, так что проблему это представляет только для сверхвысокоомных источников сигнала;
• уровень шума: хотя на низких частотах собственный шум чоппер-​стабилизированных ОУ меньше, чем у обычных, с ростом частоты ситуация меняется на противоположную (точнее, это у обычных ОУ спектральная плотность шума падает с частотой, а у чопперов она постоянна);
• и наконец, очень специфическую реакцию на ступенчатое изменение входного сигнала.

Хотя формально чоппер-​стабилизированные ОУ бывают очень быстрыми (единицы мегагерц полосы пропускания и 5–10 В/​мкс скорости нарастания входного напряжения проблемы не представляют), надо понимать, что эта быстрота относится только к основному усилителю, но не к схеме коррекции нуля. Схема коррекции — собственно чоппер — работает на своей собственной частоте, которая составляет от единиц килогерц до 100–150 кГц. И в случае резкого изменения входного и, соответственно, выходного сигнала основного ОУ ей может потребоваться несколько тактов, чтобы прийти в чувство.

В результате у чоппер-​стабилизированных усилителей появляются два параметра, об которые в некоторых случаях можно очень больно удариться — это время реакции на ступенчатое изменение входного сигнала и время восстановления после перегрузки.

Более того, перегрузкой является любое состояние, в котором сигнал на выходе ОУ доходит до крайних значений — не только до максимального, но и до минимального, то есть до нуля, потому что это границы, на которых нарушается правило одинаковости сигналов на входах ОУ. Соответственно, чоппер-​стабилизатор в этих условиях работать перестаёт, потому что главным условием его работы является равность напряжений на входах ОУ.

И как только речь заходит о резком изменении сигнала, особенно — с перегрузкой ОУ, чоппер начинает демонстрировать своё самое неприятное свойство: он отстаёт. В хороших современных ОУ — на единицы-​десятки микросекунд, в старых — иногда и на десятки миллисекунд. Проблема не в полосе пропускания и не в скорости нарастания сигнала: он просто отстаёт.

Кроме того, даже при небольшом, но быстром изменении входного сигнала на выходе чоппер-​стабилизированного ОУ будет виден «звон» — на устаканивание сигнала (обычно под таковым считают его вход в отклонение не более 0,1 % или 0,01 % от идеального) чопперу надо несколько микросекунд.

Хотя чоппер-​стабилизированный ОУ — поистине гениальное изобретение для высокоточных измерений малых сигналов, некоторые его недостатки вполне очевидны: хоть и очень бюджетный (16 рублей с НДС за TP5551), но современный чоппер по ряду параметров уступает ОУ почти полувековой давности, продаваемому сейчас примерно по цене ножек его корпуса.

Очевидно, движение к идеалу здесь можно осуществлять в двух направлениях: усложнять чопперы или совершенствовать обычные ОУ.

Примером первого является OPA387: в принципе, по скорости работы он уже обогнал ветерана полупроводниковой индустрии LM158. Но это сравнительно дорогое и не очень часто встречающееся изделие, а вот более типичный и дешёвый китайский TP5551, хоть и проделал огромный путь от старичка LTC1052, по скорости реакции всё ещё уступает даже самым дешёвым обычным ОУ.

А вот пример второго — это TI OPA376.

Как можно заметить, OPA376 приближается к чопперам по точности, в десятки раз превосходя обычные ОУ, при этом опережает даже лучшие из чоппер-​стабилизированных ОУ по времени реакции — и стоит он в полтора раза меньше, чем OPA387.

Других недостатков чопперов, будучи обычным ОУ, OPA376 также не имеет — например, входной ток у него составляет не более 10 пА против ±300 пА у OPA387, так что его проще применять с высокоомными источниками сигнала.

Добиваются этого единственным возможным способом — индивидуальной настройкой каждого произведённого изделия. OPA376 имеет в своём составе однократно программируемую (на пережигаемых перемычках) схему, которая корректирует напряжение смещения. Вот, собственно, на конвейере и тестируют каждый выпущенный экземпляр, прошивая в него нужную поправку. Не очень дёшево — но дешевле ультрасовременного чоппера, решающего проблему скорости реакции ОУ с другой стороны, и к тому же «из коробки» не обладает и другими недостатками чоппера.

Всё это (плюс год выпуска, с которого прошло уже достаточно времени) определило популярность OPA376, сделав его одним из самых распространённых прецизионных ОУ.

Poorly Made in China

(кстати, хорошая книга, рекомендую)

Что же сделали китайцы?

Во-​первых, подчеркну: это не абстрактный продавец с Али, у себя в подвале перетёрший надфилем маркировку на LM158 и выгравировавший дремелем «OPA376». Это — HGSEMI, компания, позиционирующая себя как разработчик и производитель (впрочем, только на этапе корпусировки) полупроводниковых изделий. Её чипы есть на всем известном LCSC, а также начали появляться у российских дистрибьюторов.

Собственно, так я их сегодня и обнаружил: поискал на «Элитане» OPA376, а получил ещё и предложение по некоему «OPA376M5@HGSEMI», втрое дешевле.

Ну, казалось бы, что такого — не Али же, способность китайцев вполне себе нормально повторять популярные чипы западных компаний уже известна, вон на столе изделие на UMW Youtai LM2903D и транзисторах Wayon WMO150N03T1 лежит, отлично работает, заявленным характеристикам соответствует.

Однако при виде даташита (нет, наш с китайцами уровень взаимного доверия пока не достиг высот «shut up and take my money!») брови мои поползли вверх.

Чоппер.

Если оригинальное изделие является относительно дорогим ОУ для случаев, когда нужно маленькое напряжение смещения, но чоппер не подходит (иначе просто дешевле использовать чоппер), то эти милые люди просто выпустили чоппер под тем же названием.

Ну, почти под тем же — в номенклатуре фигурирует исключительно OPA376M, в то время как у TI литеры «M» нет в принципе. Но даже в даташите чип везде указан просто как «OPA376».

В целом, даже похоже, что они старались. Параметры — те, которые возможно получить для чоппера — подобраны похожие на настоящую OPA376. Невнимательный электронщик может и не заметить разницы.

А вот далее могут случиться чудеса.

Подумаешь, всего лишь в 300 раз медленнее. Всего лишь в 100 раз больше входной ток.

Есть же много случаев, когда пользователь разницы и не заметит.

P.S. А если посмотреть свойства PDF-​документа даташита, то даже становится известно, из чего в HGSEMI сделали «OPA376»:

P.P.S. Пользуясь случаем, хочу передать привет всем считающим, что «да это просто с той же фабрики в ночную смену грузят» или «ой, да скопировали схему, и всё тут». Так, конечно, тоже делают. Но и не так — делают.

P.P.P.S. Кстати, сейчас стали появляться бюджетные чоппер-​стабилизированные ОУ с временем восстановления в пределах 1 мкс — это, например, TI TLV387 (удешевлённая версия OPA387 с Vos в 10 мкВ вместо 2 мкВ), а также совсем дешёвые китайские Runic RS8551 (5 мкВ, 1 мкс) и RS8561 (20 мкВ, 0,4 мкс). Впрочем, заменить OPA376 в случаях, когда нужен сверхмалый входной ток, они всё равно не могут, а Runic ещё и довольно шумные.