ทำไมเครื่องเปรียบเทียบจึงมีแรงดันออฟเซ็ตที่สูงกว่า opamps

ฉันต้องเปรียบเทียบสัญญาณกับแรงดันคงที่ สัญญาณมีช่วงตั้งแต่ 0 ถึง 30mV และฉันต้องการเวลาตอบสนอง 50ns ที่ 250µV ต่างกัน สัญญาณเป็นคลื่นสามเหลี่ยมที่มีอัตราฆ่าในช่วงไม่กี่ mV / µs

เมื่อดูที่ตัวเปรียบเทียบที่นำเสนอโดย TIพวกเขาเริ่มต้นที่แรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ตที่ 750µV โดยที่ตัวเปรียบเทียบ 10ns เริ่มต้นที่ 3000µV

อย่างไรก็ตามเมื่อดูที่รายการของโอปป์เริ่มต้นที่แรงดันออฟเซ็ต 1 voltageV โดยที่แอมพลิฟายเออร์ 100MHz เริ่มต้นที่ 100µV

ขอแนะนำอย่างยิ่งให้ใช้เครื่องมือเปรียบเทียบไม่ใช่ op-amps สำหรับการเปรียบเทียบสัญญาณดังนั้นทางเลือกเดียวที่ฉันเห็นคือการขยายสัญญาณของฉันล่วงหน้าด้วย op-amp ความแม่นยำสูงความเร็วสูงจากนั้นใช้เครื่องมือเปรียบเทียบ อย่างไรก็ตามฟังดูผิด ถ้าเป็นไปได้แล้วทำไมผู้ผลิตชิปถึงไม่เสนอสิ่งนี้เป็นโซลูชั่นเสาหิน?

ความเร็วสูงที่มีความแตกต่างเล็กน้อยนั้นเป็นเรื่องยาก

โปรดทราบว่าตัวเปรียบเทียบไม่เพียง แต่มีแนวโน้มที่จะมีแรงดันไฟฟ้าอินพุตออฟเซ็ตที่สูงกว่าโอปป์ แต่ยังมีสัญญาณรบกวนที่มีประสิทธิภาพสูงกว่ามากเช่นกันเพื่อให้ได้ความเร็วสูง

Oliver Collins ผลิตกระดาษสองสามทศวรรษที่ผ่านมาแสดงว่าคุณได้รับผลลัพธ์ที่ดีขึ้นมากซึ่งเป็นเวลาที่กระวนกระวายใจน้อยกว่าถ้าคุณนำหน้าตัวเปรียบเทียบอย่างรวดเร็วด้วยสัญญาณรบกวนต่ำหนึ่งเสียงหรือน้อยกว่า เพื่อเพิ่มอัตราการฆ่าทีละขั้น สำหรับอัตราการฆ่าที่ป้อนเข้าและตัวเปรียบเทียบสุดท้ายมีจำนวนขั้นตอนที่เหมาะสมรับโปรไฟล์และการเลือกค่าคงที่เวลา RC

นี่หมายความว่า opamp เริ่มต้นไม่ได้ใช้เป็นตัวเปรียบเทียบ แต่เป็นแอมพลิฟายเออร์แบบลาดชันดังนั้นพวกเขาจึงไม่ต้องการอัตราการส่งออกหรือผลิตภัณฑ์ GBW ที่จำเป็นสำหรับตัวเปรียบเทียบขั้นสุดท้าย

ตัวอย่างแสดงไว้ที่นี่สำหรับแอมพลิฟายเออร์แบบลาดเอียงสองระดับ ไม่มีการกำหนดค่าใด ๆ เนื่องจากค่าที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับอัตราการป้อนข้อมูล อย่างไรก็ตามเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ตัวเปรียบเทียบเอาท์พุทเพียงอย่างเดียวเกือบทุกโปรไฟล์กำไรจะเป็นการปรับปรุง หากคุณใช้ตัวอย่างเช่นกำไร 10 จากนั้นตามด้วยกำไร 100 นั่นจะเป็นสถานที่ที่สมเหตุสมผลในการเริ่มการทดลอง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

เห็นได้ชัดว่าแอมป์จะใช้เวลาส่วนใหญ่ในการอิ่มตัว กุญแจสำคัญในการปรับขนาดตัวกรอง RC คือการเลือกค่าคงที่ของเวลาเช่นเวลาที่เครื่องขยายเสียงได้รับจากจุดอิ่มตัวไปจนถึงจุดกึ่งกลางที่อัตราการป้อนข้อมูลที่เร็วที่สุดจะเพิ่มเป็นสองเท่าโดย RC ที่เลือก ค่าคงที่เวลาลดลงอย่างเห็นได้ชัดตามสายโซ่ของเครื่องขยายเสียง

RCs จะแสดงเป็นตัวกรองจริงหลังจาก opamp ไม่ใช่ C ที่วางอยู่บนตัวต้านทานการเพิ่มความคิดเห็นย้อนกลับ นี่เป็นเพราะตัวกรองนี้ยังคงลดทอนความถี่สูงของเสียงที่ 6dB / octave เป็นความถี่สูงโดยพลการในขณะที่ตัวเก็บประจุในลูปข้อเสนอแนะหยุดการกรองเมื่อความถี่ได้รับเอกภาพ

โปรดทราบว่าการใช้ตัวกรอง RC จะเพิ่มการหน่วงเวลาสัมบูรณ์ระหว่างอินพุตข้ามขีด จำกัด และเอาต์พุตที่ตรวจพบ หากคุณต้องการลดการหน่วงเวลานี้ให้น้อยที่สุดควรละเว้น RCs อย่างไรก็ตามการกรองสัญญาณรบกวนโดย RCs ช่วยให้คุณได้รับการทำซ้ำที่ดีขึ้นของความล่าช้าจากการป้อนข้อมูลไปยังการส่งออกซึ่งแสดงให้เห็นว่าตัวเองเป็นกระวนกระวายใจที่ต่ำกว่า

มันเป็นเพียง opamp อินพุทที่ต้องการประสิทธิภาพสูงในด้านเสียงรบกวนและแรงดันออฟเซ็ตรายละเอียดของแอมพลิฟายเออร์ที่ตามมาทั้งหมดสามารถผ่อนคลายได้เมื่อได้รับ ในทางกลับกันแอมพลิฟายเออร์ตัวแรกไม่ต้องการอัตราการฆ่าสูงหรือ GBW สูงเท่าแอมพลิฟายเออร์ที่ตามมา

เหตุผลที่โครงสร้างนี้ไม่มีให้บริการในเชิงพาณิชย์ก็คือประสิทธิภาพนั้นไม่ค่อยจำเป็นและจำนวนขั้นตอนที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับอัตราการป้อนข้อมูลที่ป้อนเข้าและข้อกำหนดที่จำเป็นซึ่งตลาดจะมีขนาดเล็กและไม่ใหญ่ ไปหลังจาก เมื่อคุณต้องการประสิทธิภาพการทำงานนี้มันจะดีกว่าที่จะสร้างมันขึ้นมาจากบล็อกที่คุณสามารถได้รับเชิงพาณิชย์

นี่คือหน้าเอกสารในธุรกรรม IEEE เกี่ยวกับการสื่อสารเล่มที่ 44, ฉบับที่ 5, พฤษภาคม 1996 หน้าเริ่มต้นที่ 601 และตารางสรุปแสดงประสิทธิภาพที่คุณได้รับเมื่อคุณเปลี่ยนจำนวนขั้นตอนของการขยายความชันและผลประโยชน์ การกระจายของขั้นตอน คุณจะเห็นจากตารางที่ 3 ว่าสำหรับกรณีที่ต้องการขยาย 1e6 ลาดในขณะที่ประสิทธิภาพไม่ดีขึ้น 3 ขั้นตอนการปรับปรุงจำนวนมากเกิดขึ้นแล้วเพียง 3 ขั้นตอน

op-amps ที่มีออฟเซ็ตต่ำมาก (เช่น TLC2652) มีแบนด์วิดท์ต่ำเกินไปสำหรับสิ่งที่คุณต้องการ (ประมาณ 2 MHz) ดังนั้นคุณต้องเปรียบเทียบแอปเปิ้ลกับแอปเปิ้ลตามความเป็นจริง นอกจากนี้ยังไม่ได้ระบุไว้ในแผ่นข้อมูลของอุปกรณ์ว่าการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ตอินพุตเปลี่ยนแปลงอย่างไรกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตโหมดทั่วไป สำหรับตัวเปรียบเทียบนั้นคาดว่าจะมีการชดเชยออฟเซ็ตโหมดทั่วไปขนาดใหญ่และบ่อยกว่าไม่ได้กำหนดแรงดันออฟเซ็ตของ op-amps ในสภาพสัญญาณในอุดมคติ

ข้อเท็จจริงอีกประการหนึ่งคือวงจรเปรียบเทียบส่วนใหญ่ใช้ฮิสเทรีซีสและสิ่งนี้มีมากกว่ารูปที่ยอดเยี่ยมสำหรับแรงดันออฟเซ็ตเนื่องจากการตอบรับเชิงบวกจากเอาต์พุตนั้นขึ้นอยู่กับรางจ่ายไฟ

และนี่คือปัญหาหลักในการเปรียบเทียบของคุณ

หากคุณดูรายการ TI หลังจากเลือก Vos เป็นพารามิเตอร์ตัวกรอง op-amp แรกที่มีแบนด์วิดท์ที่ 100 MHz หรือสูงกว่าคือ OPA625 ความคาดหวังของคุณที่ 250 uV ทำให้เกิดการแกว่งเต็มรูปแบบใน 50 ns หมายความว่าจะต้องได้รับ AC ที่ 100 MHz เป็น 5 โวลต์ / 250 uV = 20,000 หรือ 86 dB OPA625 นั้นมี open loop ที่ได้รับต่ำกว่า 0 dB ที่ 100 MHz

ซึ่งหมายความว่าการเปรียบเทียบของคุณมีข้อบกพร่องอีกครั้ง คุณต้องเป็นจริงเมื่อทำการเปรียบเทียบ op-amp 100 MHz นั้นด้อยกว่าตัวเปรียบเทียบหลายสิบปีที่สามารถสลับเอาท์พุทได้ใน 50 ns โดยมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ต่างกัน 250 uV

ให้ออกแบบวงจรนั้น คุณต้องการการตอบสนอง 50 นาโนวินาทีดังนั้นแบนด์วิดท์ 1 / 50nS หรือ 20MHz จึงเป็น BW เริ่มต้นของเรา

พื้นเสียงอะไร? สำหรับอัตราการเกิดที่ต่ำของ FALSE TRIGGERS พลังงานของสัญญาณรบกวนจะต้องมีค่าน้อยกว่า 10dB ของสัญญาณเสียง (สร้างข้อผิดพลาดบิต 0.1%) เสียงรวมในตัวของเราจำเป็นต้องมี 250uV / 10dB หรือ 250uV / 3.16 หรือ 80 microVolts RMS ใน 20MHz BW

เพื่อค้นหาความหนาแน่นของเสียง (และดังนั้นจึงอนุญาต Rnoise) เราแบ่ง 80uV โดย sqrt (bW) หรือ 80u / sqrt (20,000,000) หรือ 80u / 4,500 หรือ 18 nanoVolts / rtHz ด้วย 1Kohm เป็น 4nanoVolts / rtHz เราสามารถใช้ค่า Rnoise ที่ 20,000 ohms

ฉันขอแนะนำแอมพลิฟายเออร์ Wideband RCA / Harris CA3011 ที่มีอัตราขยายต่างกัน 3 ระดับ แผ่นข้อมูลบอกว่ามันจะ จำกัด ที่ 600 microvolts input และการ จำกัด / squarewave นั้นเหมาะสำหรับการขับเคลื่อนเครื่องมือเปรียบเทียบอย่างรวดเร็ว แผ่นข้อมูลบอกว่า NoiseFigure คือ 9dB ที่ 4.5MHz กำหนดให้เป็น 1: 2 stepup input (resonator PI) จาก 50 Ohms

ทีนี้เกี่ยวกับแรงดันออฟเซ็ตที่ไม่แน่นอน .....