Tại sao các bộ so sánh thường có điện áp bù cao hơn opamp?

Tôi cần so sánh tín hiệu với điện áp không đổi; tín hiệu nằm trong khoảng từ 0 đến 30mV và tôi yêu cầu thời gian đáp ứng là 50ns ở mức chênh lệch 250. Tín hiệu là một sóng tam giác với tốc độ xoay trong phạm vi một vài mV / xô.

Khi nhìn vào các bộ so sánh do TI cung cấp , chúng bắt đầu ở điện áp bù 750 750V, với bộ so sánh 10ns bắt đầu từ 3000 siêuV.

Tuy nhiên, khi nhìn vào danh sách các opamp, chúng bắt đầu ở điện áp bù 1VV, với các bộ khuếch đại 100 MHz bắt đầu từ 100 NottV.

Chúng tôi khuyến khích sử dụng các bộ so sánh, không phải op-amps để so sánh tín hiệu, vì vậy lựa chọn duy nhất tôi thấy là khuếch đại trước tín hiệu của mình bằng op-amp tốc độ cao, chính xác, sau đó sử dụng bộ so sánh. Tuy nhiên, điều này nghe có vẻ sai. Nếu điều này là có thể, thì tại sao các nhà sản xuất chip không cung cấp nó như một giải pháp nguyên khối?

Tốc độ cao với một sự khác biệt nhỏ là khó khăn để có được.

Lưu ý rằng không chỉ các bộ so sánh có xu hướng có điện áp bù đầu vào cao hơn opamp, mà còn có tiếng ồn hiệu quả cao hơn nhiều, vì để có được tốc độ cao, chúng là những con thú băng rộng.

Oliver Collins đã tạo ra một bài báo cách đây vài thập kỷ cho thấy rằng bạn nhận được kết quả tốt hơn nhiều, đó là sự hốt hoảng ít thời gian hơn, nếu bạn đi trước một bộ so sánh nhanh với một hoặc nhiều giai đoạn opamp có độ ồn thấp, mỗi giai đoạn lọc cực đơn trên đầu ra , để tăng tốc độ quay theo từng giai đoạn. Đối với bất kỳ tốc độ quay đầu vào và bộ so sánh cuối cùng nhất định, có một số giai đoạn tối ưu, cấu hình đạt được và lựa chọn các hằng số thời gian RC.

Điều này có nghĩa là các opamp ban đầu không được sử dụng làm bộ so sánh, mà là bộ khuếch đại độ dốc, và do đó chúng không cần tốc độ quay đầu ra hoặc sản phẩm GBW sẽ được yêu cầu cho bộ so sánh cuối cùng.

Một ví dụ được hiển thị ở đây, cho một bộ khuếch đại độ dốc hai giai đoạn. Không có giá trị nào được đưa ra, vì tối ưu phụ thuộc vào tốc độ xoay đầu vào. Tuy nhiên, so với việc chỉ sử dụng bộ so sánh đầu ra, hầu như bất kỳ cấu hình khuếch đại nào cũng sẽ là một sự cải tiến. Nếu bạn đã sử dụng ví dụ mức tăng 10, tiếp theo là mức tăng 100, đó sẽ là một nơi rất hợp lý để bắt đầu thử nghiệm.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Rõ ràng các bộ khuếch đại sẽ dành rất nhiều thời gian của chúng trong bão hòa. Chìa khóa để định cỡ các bộ lọc RC là chọn hằng số thời gian sao cho thời gian bộ khuếch đại đi từ bão hòa đến điểm giữa, ở tốc độ quay đầu vào nhanh nhất, được nhân đôi bởi RC đã chọn. Các hằng số thời gian rõ ràng giảm dọc theo chuỗi khuếch đại.

Các RC được hiển thị dưới dạng các bộ lọc thực sau opamp, không phải là C được đặt trên điện trở khuếch đại phản hồi. Điều này là do bộ lọc này tiếp tục giảm nhiễu tần số cao ở mức 6dB / quãng tám đến tần số cao tùy ý, trong khi đó, một tụ điện trong vòng phản hồi sẽ ngừng lọc khi tần số đạt được mức thống nhất.

Lưu ý rằng việc sử dụng bộ lọc RC làm tăng độ trễ thời gian tuyệt đối giữa đầu vào vượt qua ngưỡng và đầu ra phát hiện ra nó. Nếu bạn muốn giảm thiểu độ trễ này, thì nên bỏ qua các RC. Tuy nhiên, bộ lọc nhiễu được cung cấp bởi các RC cho phép bạn có được độ lặp lại tốt hơn của độ trễ từ đầu vào đến đầu ra, biểu hiện là jitter thấp hơn.

Chỉ có opamp đầu vào cần hiệu suất cao về nhiễu và điện áp bù, thông số kỹ thuật của tất cả các bộ khuếch đại tiếp theo có thể được nới lỏng nhờ mức tăng của nó. Ngược lại, bộ khuếch đại đầu tiên không cần tốc độ quay cao hoặc GBW cao như các bộ khuếch đại tiếp theo.

Lý do cấu trúc này không được cung cấp về mặt thương mại là vì hiệu suất rất hiếm khi được yêu cầu và số lượng giai đoạn tối ưu phụ thuộc vào tốc độ quay đầu vào và các thông số kỹ thuật cần thiết, rằng thị trường sẽ rất nhỏ và phân mảnh, và không có giá trị đi sau. Khi bạn cần hiệu suất này, tốt hơn là xây dựng nó từ các khối bạn có thể nhận được bằng thương mại.

Đây là mặt trước của bài báo, trong Giao dịch của IEEE về Truyền thông, Tập 44, Số 5, tháng 5 năm 1996, trang bắt đầu và bảng tóm tắt cho biết hiệu suất bạn nhận được khi thay đổi số giai đoạn khuếch đại độ dốc và mức tăng phân phối các giai đoạn. Bạn sẽ thấy trong bảng 3 rằng trong trường hợp cụ thể muốn khuếch đại độ dốc 1e6, trong khi hiệu suất tiếp tục cải thiện trên 3 giai đoạn, phần lớn cải tiến đã xảy ra chỉ với 3 giai đoạn.

Các op-amp có độ bù rất thấp (như TLC2652) có băng thông quá thấp cho những gì bạn muốn (khoảng 2 MHz), vì vậy, thực tế bạn cần so sánh táo với táo. Ngoài ra, không được chỉ định trong bảng dữ liệu của thiết bị đó là cách điện áp bù đầu vào thay đổi với điện áp đầu vào chế độ chung. Đối với một bộ so sánh, độ lệch chế độ chung lớn được dự kiến ​​và thường xuyên hơn không, điện áp bù của op-amps được chỉ định trong các điều kiện tín hiệu lý tưởng.

Một thực tế khác là hầu hết các mạch so sánh sử dụng độ trễ và điều này vượt xa bất kỳ con số tuyệt vời nào cho điện áp bù do phản hồi tích cực từ đầu ra phụ thuộc vào đường ray cung cấp.

Và đây là vấn đề chính với sự so sánh của bạn.

Nếu bạn nhìn xuống danh sách TI sau khi chọn Vos làm tham số bộ lọc, op-amp đầu tiên có băng thông từ 100 MHz trở lên là OPA625. Kỳ vọng của bạn là 250 uV tạo ra một cú xoay hoàn toàn trong 50 ns có nghĩa là mức tăng AC ở 100 MHz phải là (giả sử) 5 volt / 250 uV = 20.000 hoặc 86 dB. Chà, OPA625 có mức tăng vòng lặp mở dưới 0 dB ở 100 MHz.

Điều này có nghĩa là so sánh của bạn là một lần nữa thiếu sót. Bạn cần phải thực tế khi thực hiện so sánh. Một op-amp 100 MHz kém hơn nhiều thập kỷ so với một bộ so sánh có thể chuyển đổi đầu ra của nó trong 50 ns với sự thay đổi điện áp đầu vào vi sai là 250 uV.

Cho phép thiết kế mạch đó. Bạn muốn đáp ứng 50 nano giây, do đó băng thông 1 / 50nS hoặc 20 MHz là BW bắt đầu của chúng tôi.

SÀN NÀO NÀO? Đối với tỷ lệ xuất hiện thấp của FALSE TRIGGERS, công suất nhiễu cần yếu hơn 10dB so với nhiễu tín hiệu (tạo ra sai số bit 0,1%). Tổng tiếng ồn tích hợp của chúng tôi cần là RMS 250uV / 10dB hoặc 250uV / 3.16 hoặc 80 microVolts. Trong 20 MHz BW.

Để tìm mật độ nhiễu (và do đó là Rnoise được phép), chúng tôi chia 80uV cho sqrt (bW) hoặc 80u / sqrt (20.000.000) hoặc 80u / 4.500 hoặc 18 nanoVolts / rtHz. Với 1Kohm là 4nanoVolts / rtHz, chúng ta có thể sử dụng giá trị Rnoise là 20.000 ohms.

Tôi đề nghị bộ khuếch đại băng rộng RCA / Harris CA3011 với 3 giai đoạn khuếch đại vi sai. Datasheet cho biết họ sẽ (thường) giới hạn ở mức đầu vào 600 microvolts và đầu ra giới hạn / squarewave chắc chắn phù hợp để điều khiển một bộ so sánh nhanh. Datasheet cho biết NoiseFigure là 9dB ở 4,5 MHz, được cung cấp bước đầu vào 1: 2 (bộ cộng hưởng PI) từ 50 Ohms.

Bây giờ, về điện áp bù không chắc chắn đó .....