Ich muss ein Signal mit einer konstanten Spannung vergleichen. Das Signal reicht von 0 bis 30 mV, und ich benötige eine Reaktionszeit von 50 ns bei einer Differenz von 250 uV. Das Signal ist eine Dreieckwelle mit einer Anstiegsrate im Bereich von einigen mV / µs.
Wenn Sie sich die von TI angebotenen Komparatoren ansehen , beginnen sie bei einer Offset-Spannung von 750µV, während 10ns-Komparatoren bei 3000µV beginnen.
Betrachtet man jedoch die Liste der Operationsverstärker , beginnen diese bei einer Offset-Spannung von 1 µV, wobei 100-MHz-Verstärker bei 100 µV beginnen.
Es wird dringend empfohlen, zum Vergleichen von Signalen Komparatoren und keine Operationsverstärker zu verwenden. Die einzige Option, die ich sehe, besteht darin, mein Signal mit einem präzisen Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker vorzuverstärken und dann einen Komparator zu verwenden. Dies klingt jedoch falsch. Wenn dies möglich ist, warum bieten Chiphersteller dies dann nicht als monolithische Lösung an?
Antworten:
Hohe Geschwindigkeit mit einem kleinen Unterschied ist schwer zu erreichen.
Es ist zu beachten, dass Komparatoren nicht nur dazu neigen, höhere Eingangsoffsetspannungen als Opamps zu haben, sondern auch ein viel höheres effektives Rauschen, da sie Breitband-Biester sind, um eine hohe Geschwindigkeit zu erzielen.
Oliver Collins hat vor einigen Jahrzehnten eine Arbeit verfasst, die zeigt, dass Sie viel bessere Ergebnisse erzielen, das heißt weniger Zeitjitter, wenn Sie einem schnellen Komparator eine oder mehrere rauscharme Opamp-Stufen mit geringer Verstärkung voranstellen, die jeweils eine einpolige Filterung am Ausgang aufweisen , um die Anstiegsgeschwindigkeit schrittweise zu erhöhen. Für jede Eingangsanstiegsrate und jeden endgültigen Komparator gibt es eine optimale Anzahl von Stufen, ein optimales Verstärkungsprofil und die Auswahl von RC-Zeitkonstanten.
Dies bedeutet, dass die anfänglichen Operationsverstärker nicht als Komparatoren, sondern als Flankenverstärker verwendet werden und folglich nicht die Ausgangsanstiegsrate oder das GBW-Produkt benötigen, die für den endgültigen Komparator erforderlich wären.
Hier ist ein Beispiel für einen zweistufigen Flankensteilheitsverstärker gezeigt. Es werden keine Werte angegeben, da das Optimum von der Eingangsanstiegsrate abhängt. Verglichen mit der Verwendung des Ausgangskomparators allein wäre jedoch fast jedes Verstärkungsprofil eine Verbesserung. Wenn Sie zum Beispiel eine Verstärkung von 10 gefolgt von einer Verstärkung von 100 verwenden, wäre dies ein sehr vernünftiger Ort, um mit dem Experimentieren zu beginnen.
simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab
Offensichtlich werden die Verstärker einen großen Teil ihrer Zeit mit Sättigung verbringen. Der Schlüssel zur Dimensionierung der RC-Filter besteht darin, eine Zeitkonstante so zu wählen, dass die Zeit, die der Verstärker benötigt, um mit der schnellsten Eingangsanstiegsrate vom gesättigten zum mittleren Punkt zu gelangen, durch den gewählten RC verdoppelt wird. Die Zeitkonstanten nehmen offensichtlich entlang der Verstärkerkette ab.
Die RCs werden nach dem Operationsverstärker als echte Filter dargestellt, nicht als C, das über den Rückkopplungsverstärkungswiderstand gelegt wird. Dies liegt daran, dass dieses Filter die Hochfrequenzdämpfung des Rauschens bei 6 dB / Oktave auf willkürlich hohe Frequenzen fortsetzt, wohingegen ein Kondensator in der Rückkopplungsschleife die Filterung stoppt, wenn die Frequenz die Verstärkung eins erreicht.
Beachten Sie, dass die Verwendung von RC-Filtern die absolute Zeitverzögerung zwischen dem Eingang, der die Schwelle überschreitet, und dem Ausgang, der sie erkennt, erhöht. Wenn Sie diese Verzögerung minimieren möchten, sollten Sie die RCs weglassen. Die durch die RCs gebotene Rauschfilterung ermöglicht jedoch eine bessere Wiederholbarkeit der Verzögerung von Eingang zu Ausgang, was sich in geringerem Jitter äußert.
Es ist nur der Eingangsverstärker, der eine hohe Leistung in Bezug auf Rauschen und Offset-Spannung benötigt. Die Spezifikationen aller nachfolgenden Verstärker können durch seine Verstärkung gelockert werden. Umgekehrt benötigt der erste Verstärker keine so hohe Anstiegsrate oder GBW wie die nachfolgenden Verstärker.
Der Grund, warum diese Struktur nicht kommerziell angeboten wird, ist, dass die Leistung so selten benötigt wird und die optimale Anzahl von Stufen so stark von der Eingangsanstiegsrate und den erforderlichen Spezifikationen abhängt, dass der Markt winzig und fragmentiert und nicht wertvoll wäre nachgehen. Wenn Sie diese Leistung benötigen, ist es besser, sie aus den Bausteinen zu erstellen, die Sie im Handel erhalten können.
Hier ist die Vorderseite des Papiers in IEEE Transactions on Communications, Vol. 44, Nr. 5, Mai 1996, ab Seite 601, und eine Übersichtstabelle, die zeigt, welche Leistung Sie erhalten, wenn Sie die Anzahl der Stufen der Steigungsverstärkung und die Verstärkung ändern Verteilung der Stufen. Aus Tabelle 3 geht hervor, dass für den speziellen Fall, dass eine Verstärkung der Steigung von 1e6 gewünscht wird, die Leistung zwar weiterhin über 3 Stufen verbessert wird, der Großteil der Verbesserung jedoch bereits mit nur 3 Stufen erfolgt ist.
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Diese Operationsverstärker mit sehr geringem Offset (wie der TLC2652) haben eine viel zu geringe Bandbreite für das, was Sie wollen (ca. 2 MHz), also müssen Sie realistisch gesehen Äpfel mit Äpfeln vergleichen. Im Datenblatt dieses Geräts ist auch nicht angegeben, wie sich die Eingangsoffsetspannung mit der Gleichtakteingangsspannung ändert. Für einen Komparator werden große Gleichtakt-Offsets erwartet und in den meisten Fällen wird die Offset-Spannung eines Operationsverstärkers unter idealen Signalbedingungen angegeben.
Eine andere Tatsache ist, dass die meisten Komparatorschaltungen eine Hysterese verwenden und diese die fabelhafte Zahl für die Offset-Spannung bei weitem überwiegt, da die positive Rückkopplung vom Ausgang von den Versorgungsschienen abhängig ist.
Und hier ist das Hauptproblem mit Ihrem Vergleich.
Wenn Sie nach Auswahl von Vos als Filterparameter in der TI-Liste nachsehen, ist der OPA625 der erste Operationsverstärker mit einer Bandbreite von 100 MHz oder mehr. Ihre Erwartung von 250 uV bedeutet, dass die AC-Verstärkung bei 100 MHz (sagen wir) 5 Volt / 250 uV = 20.000 oder 86 dB betragen muss. Nun, der OPA625 hat eine Open-Loop-Verstärkung unter 0 dB bei 100 MHz.
Dies bedeutet, dass Ihr Vergleich erneut fehlerhaft ist. Sie müssen realistisch sein, wenn Sie Vergleiche anstellen. Ein 100-MHz-Operationsverstärker ist einem Komparator, der seinen Ausgang in 50 ns mit einer Differenz-Eingangsspannungsänderung von 250 uV schalten kann, um Jahrzehnte unterlegen.
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Lässt diese Schaltung entwerfen. Sie möchten eine Antwort von 50 Nanosekunden, daher ist 1 / 50nS oder 20MHz Bandbreite unser Start-BW.
Welcher LÄRMBODEN? Für eine niedrige Auftrittsrate von FALSE TRIGGERS muss die Rauschleistung 10 dB schwächer sein als das Signalrauschen (0,1% Bitfehler). Unser gesamtes integriertes Rauschen muss 250 µV / 10 dB oder 250 µV / 3,16 oder 80 µV RMS betragen. In 20MHz BW.
Um die Rauschdichte (und damit die zulässige Rnoise) zu ermitteln, dividieren wir 80 µV durch sqrt (bW) oder 80 µ / sqrt (20.000.000) oder 80 µ / 4.500 oder 18 nanoVolt / rtHz. Mit 1 kOhm bei 4 nanoVolt / rtHz können Rnoise-Werte von 20.000 Ohm verwendet werden.
Ich schlage den Breitbandverstärker RCA / Harris CA3011 mit 3 Differenzverstärkungsstufen vor. Das Datenblatt gibt an, dass die Eingangsspannung (in der Regel) auf 600 Mikrovolt begrenzt ist und dass die begrenzte / rechteckige Ausgangsspannung mit Sicherheit zum Ansteuern eines schnellen Komparators geeignet ist. Laut Datenblatt beträgt NoiseFigure 9 dB bei 4,5 MHz bei einer Eingangsverstärkung von 1: 2 (Resonator-PI) von 50 Ohm.
Nun zu dieser ungewissen Offset-Spannung ...
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