Mengapa pembanding umumnya memiliki tegangan offset lebih tinggi daripada opamps?

Saya perlu membandingkan sinyal dengan tegangan konstan; sinyal berkisar dari 0 hingga 30mV, dan saya memerlukan waktu respon 50ns pada perbedaan 250μV. Sinyal adalah gelombang segitiga dengan laju perubahan tegangan dalam kisaran beberapa mV / μs.

Ketika melihat pembanding yang ditawarkan oleh TI , mereka mulai pada tegangan offset 750μV, dengan pembanding 10ns mulai dari 3000μV.

Namun, ketika melihat daftar opamps , mereka mulai pada tegangan offset 1μV, dengan amplifier 100MHz mulai dari 100μV.

Sangat disarankan untuk menggunakan komparator, bukan op-amp, untuk membandingkan sinyal, jadi satu-satunya pilihan yang saya lihat adalah pra-memperkuat sinyal saya dengan presisi, op-amp berkecepatan tinggi, kemudian menggunakan komparator. Namun, ini kedengarannya salah. Jika ini mungkin, lalu mengapa pembuat chip tidak menawarkan ini sebagai solusi monolitik?

Kecepatan tinggi dengan perbedaan kecil sulit didapat.

Perhatikan bahwa komparator tidak hanya cenderung memiliki voltase offset masukan yang lebih tinggi daripada opamps, tetapi juga noise efektif yang jauh lebih tinggi, karena untuk mendapatkan kecepatan tinggi mereka adalah binatang wideband.

Oliver Collins menghasilkan makalah beberapa dekade yang lalu yang menunjukkan bahwa Anda mendapatkan hasil yang lebih baik, yaitu sedikit jitter waktu, jika Anda mendahului pembanding cepat dengan satu atau lebih noise rendah, tahap opamp gain rendah, masing-masing dengan penyaringan kutub tunggal pada output , untuk meningkatkan laju perubahan tegangan tahap demi tahap. Untuk setiap laju perubahan tegangan input dan komparator akhir yang diberikan, ada jumlah optimal tahapan, profil gain, dan pemilihan konstanta waktu RC.

Ini berarti bahwa opamps awal tidak digunakan sebagai pembanding, tetapi sebagai penguat kemiringan, dan akibatnya mereka tidak memerlukan laju perubahan tegangan keluaran atau produk GBW yang akan diperlukan untuk pembanding akhir.

Contoh ditunjukkan di sini, untuk penguat kemiringan dua tahap. Tidak ada nilai yang diberikan, karena optimal tergantung pada laju perubahan tegangan input. Namun, dibandingkan dengan menggunakan komparator output saja, hampir semua profil gain akan menjadi peningkatan. Misalnya, jika Anda menggunakan kenaikan 10, diikuti dengan kenaikan 100, itu akan menjadi tempat yang sangat masuk akal untuk mulai bereksperimen.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Jelas amplifier akan menghabiskan banyak waktu mereka dalam kejenuhan. Kunci untuk mengukur ukuran filter RC adalah memilih konstanta waktu sedemikian rupa sehingga waktu yang dibutuhkan amplifier untuk beralih dari titik jenuh ke titik tengah, pada laju perubahan tegangan input tercepat, digandakan oleh RC yang dipilih. Konstanta waktu jelas berkurang di sepanjang rantai amplifier.

RC ditampilkan sebagai filter nyata setelah opamp, bukan C yang ditempatkan di resistor gain umpan balik. Ini karena filter ini melanjutkan pelemahan frekuensi tinggi dari kebisingan pada 6dB / oktaf ke frekuensi tinggi yang sewenang-wenang, sedangkan kapasitor dalam loop umpan balik berhenti menyaring ketika frekuensi mencapai gain yang sama.

Perhatikan bahwa menggunakan filter RC meningkatkan waktu tunda absolut antara input yang melewati ambang batas dan output yang mendeteksinya. Jika Anda ingin meminimalkan keterlambatan ini, maka RC harus dihilangkan. Namun, pemfilteran noise yang diberikan oleh RC memungkinkan Anda untuk mendapatkan pengulangan keterlambatan yang lebih baik dari input ke output, yang memanifestasikan dirinya sebagai jitter yang lebih rendah.

Hanya opamp input yang membutuhkan kinerja tinggi dalam hal kebisingan dan tegangan offset, spesifikasi semua amplifier berikutnya dapat dilonggarkan oleh penguatannya. Sebaliknya, amplifier pertama tidak perlu setinggi laju perubahan tegangan tinggi atau GBW seperti amplifier berikutnya.

Alasan mengapa struktur ini tidak disediakan secara komersial adalah karena kinerja sangat jarang diperlukan, dan jumlah tahap optimal sangat tergantung pada laju perubahan tegangan input dan spesifikasi yang diperlukan, sehingga pasar akan menjadi kecil dan terfragmentasi, dan tidak layak mengejar. Ketika Anda membutuhkan kinerja ini, lebih baik untuk membangunnya dari blok yang bisa Anda peroleh secara komersial.

Inilah bagian depan makalah, dalam Transaksi IEEE tentang Komunikasi, Vol 44, No.5, Mei 1996, mulai halaman 601, dan tabel ringkasan yang menunjukkan kinerja apa yang Anda dapatkan ketika Anda mengubah jumlah tahapan amplifikasi lereng, dan penguatannya distribusi tahapan. Anda akan melihat dari tabel 3 bahwa untuk kasus spesifik yang menginginkan amplifikasi kemiringan 1e6, sementara kinerjanya terus meningkat di atas 3 tahap, sebagian besar perbaikan telah terjadi dengan hanya 3 tahap.

Op-amp dengan offset yang sangat rendah (seperti TLC2652) memiliki bandwidth terlalu rendah untuk apa yang Anda inginkan (sekitar 2 MHz) jadi, secara realistis Anda perlu membandingkan apel dengan apel. Selain itu, tidak ditentukan dalam lembar data perangkat itu adalah bagaimana tegangan offset offset berubah dengan tegangan input mode umum. Untuk komparator, diharapkan offset mode-mode besar dan lebih sering daripada tidak, tegangan offset op-amp ditentukan dalam kondisi sinyal yang ideal.

Fakta lain adalah bahwa sebagian besar rangkaian pembanding menggunakan histeresis dan ini jauh melebihi angka yang luar biasa untuk tegangan offset karena umpan balik positif dari output yang tergantung pada rel pasokan.

Dan inilah masalah utama dengan perbandingan Anda.

Jika Anda melihat daftar TI setelah memilih Vos sebagai parameter filter, op-amp pertama yang memiliki bandwidth 100 MHz atau lebih adalah OPA625. Harapan Anda sebesar 250 uV menghasilkan ayunan penuh dalam 50 ns berarti bahwa penguatan AC pada 100 MHz harus (katakanlah) 5 volt / 250 uV = 20.000 atau 86 dB. Nah, OPA625 memiliki gain loop terbuka di bawah 0 dB pada 100 MHz.

Ini berarti bahwa perbandingan Anda lagi-lagi cacat. Anda harus realistis saat membuat perbandingan. Sebuah op-amp 100 MHz adalah beberapa dekade lebih rendah daripada komparator yang dapat mengalihkan outputnya dalam 50 ns dengan perubahan tegangan input diferensial 250 uV.

Mari kita desain sirkuit itu. Anda ingin tanggapan 50 nanosecond, sehingga 1 / 50nS atau 20MHz bandwidth adalah BW awal kami.

Apa LANTAI KEBISINGAN? Untuk tingkat rendah terjadinya PEMICU SALAH, kekuatan noise harus 10dB lebih lemah dari noise sinyal (menghasilkan Kesalahan Bit 0,1%). Total noise terintegrasi kami harus 250uV / 10dB atau 250uV / 3.16 atau 80 microVolts RMS. Dalam 20MHz BW.

Untuk menemukan kerapatan kebisingan (dan dengan demikian Rnoise yang diizinkan), kami membagi 80uV dengan sqrt (bW) atau 80u / sqrt (20.000.000) atau 80u / 4.500 atau 18 nanoVolts / rtHz. Dengan 1Kohm menjadi 4nanoVolts / rtHz, kita dapat menggunakan nilai Rnoise sebesar 20.000 ohm.

Saya menyarankan penguat wideband RCA / Harris CA3011 dengan 3 tahap penguatan diferensial. Datasheet mengatakan itu akan (biasanya) membatasi pada 600 microvolts input, dan bahwa output terbatas / squarewave tentu cocok untuk mengendarai pembanding cepat. Datasheet mengatakan NoiseFigure adalah 9dB pada 4.5MHz, diberi stepup input 1: 2 (resonator PI) dari 50 Ohms.

Sekarang, tentang tegangan offset yang tidak pasti .....