Warum haben Komparatoren im Allgemeinen höhere Offsetspannungen als Operationsverstärker?

Hohe Geschwindigkeit mit einem kleinen Unterschied ist schwer zu bekommen.

Beachten Sie, dass Komparatoren nicht nur tendenziell höhere Eingangs-Offsetspannungen als Operationsverstärker haben, sondern auch ein viel höheres effektives Rauschen, da sie Breitbandbestien sind, um eine hohe Geschwindigkeit zu erreichen.

Oliver Collins hat vor ein paar Jahrzehnten ein Papier erstellt, das zeigt, dass Sie viel bessere Ergebnisse erzielen, dh weniger Zeitjitter, wenn Sie einen schnellen Komparator mit einer oder mehreren rauscharmen Operationsverstärkerstufen mit niedriger Verstärkung vorschalten, jede mit einpoliger Filterung am Ausgang , um die Anstiegsgeschwindigkeit schrittweise zu erhöhen. Für jede gegebene Eingangsanstiegsgeschwindigkeit und jeden Endkomparator gibt es eine optimale Anzahl von Stufen, ein optimales Verstärkungsprofil und eine optimale Auswahl von RC-Zeitkonstanten.

Dies bedeutet, dass die anfänglichen Operationsverstärker nicht als Komparatoren, sondern als Flankenverstärker verwendet werden und folglich nicht die Ausgangsanstiegsgeschwindigkeit oder das GBW-Produkt benötigen, die für den endgültigen Komparator erforderlich wären.

Hier ist ein Beispiel für einen zweistufigen Flankenverstärker gezeigt. Es werden keine Werte angegeben, da das Optimum von der Anstiegsgeschwindigkeit des Eingangs abhängt. Im Vergleich zur alleinigen Verwendung des Ausgangskomparators wäre jedoch fast jedes Verstärkungsprofil eine Verbesserung. Wenn Sie zum Beispiel eine Verstärkung von 10 verwenden, gefolgt von einer Verstärkung von 100, wäre dies ein sehr vernünftiger Ausgangspunkt, um mit dem Experimentieren zu beginnen.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Offensichtlich werden die Verstärker viel Zeit in Sättigung verbringen. Der Schlüssel zur Dimensionierung der RC-Filter besteht darin, eine Zeitkonstante so zu wählen, dass die Zeit, die der Verstärker benötigt, um bei der schnellsten Eingangsanstiegsrate von der Sättigung bis zum Mittelpunkt zu gelangen, durch den gewählten RC verdoppelt wird. Die Zeitkonstanten nehmen offensichtlich entlang der Verstärkerkette ab.

Die RCs werden als echte Filter nach dem Operationsverstärker angezeigt, nicht als C, das über den Rückkopplungsverstärkungswiderstand gelegt wird. Dies liegt daran, dass dieses Filter die Hochfrequenzdämpfung des Rauschens bei 6 dB/Oktave bis zu beliebig hohen Frequenzen fortsetzt, während ein Kondensator in der Rückkopplungsschleife die Filterung stoppt, wenn die Frequenz die Einheitsverstärkung erreicht.

Beachten Sie, dass die Verwendung von RC-Filtern die absolute Zeitverzögerung zwischen dem Eingang, der den Schwellenwert überschreitet, und dem Ausgang, der ihn erkennt, erhöht. Wenn Sie diese Verzögerung minimieren möchten, sollten die RCs weggelassen werden. Die Rauschfilterung der RCs ermöglicht jedoch eine bessere Wiederholbarkeit der Verzögerung vom Eingang zum Ausgang, was sich in geringerem Jitter äußert.

Lediglich der Eingangs-Operationsverstärker benötigt eine hohe Leistung in Bezug auf Rauschen und Offset-Spannung, die Spezifikationen aller nachfolgenden Verstärker können durch seine Verstärkung gelockert werden. Umgekehrt benötigt der erste Verstärker keine so hohe Anstiegsgeschwindigkeit oder GBW wie die nachfolgenden Verstärker.

Der Grund dafür, dass diese Struktur nicht kommerziell angeboten wird, liegt darin, dass die Leistung so selten benötigt wird und die optimale Anzahl von Stufen so von der Anstiegsgeschwindigkeit des Eingangs und den erforderlichen Spezifikationen abhängt, dass der Markt winzig und fragmentiert wäre und sich nicht lohnt nachgehen. Wenn Sie diese Leistung benötigen, ist es besser, sie aus den Blöcken zu bauen, die Sie im Handel erhalten können.

Hier ist die Vorderseite des Papiers in IEEE Transactions on Communications, Bd. 44, Nr. 5, Mai 1996, ab Seite 601, und eine zusammenfassende Tabelle, die zeigt, welche Leistung Sie erhalten, wenn Sie die Anzahl der Stufen der Steigungsverstärkung und die Verstärkung ändern Verteilung der Stufen. Sie werden aus Tabelle 3 ersehen, dass für den speziellen Fall, dass eine Steigungsverstärkung von 1e6 gewünscht wird, sich die Leistung zwar weiter über 3 Stufen verbessert, der Großteil der Verbesserung jedoch bereits mit nur 3 Stufen eingetreten ist.

Diese Operationsverstärker mit sehr niedrigem Offset (wie der TLC2652) haben eine viel zu geringe Bandbreite für das, was Sie wollen (etwa 2 MHz), also müssen Sie realistischerweise Äpfel mit Äpfeln vergleichen. Außerdem ist im Datenblatt dieses Geräts nicht angegeben, wie sich die Eingangs-Offsetspannung mit der Gleichtakt-Eingangsspannung ändert. Für einen Komparator werden große Gleichtakt-Offsets erwartet, und meistens wird die Offset-Spannung eines Operationsverstärkers unter idealen Signalbedingungen angegeben.

Eine weitere Tatsache ist, dass die meisten Komparatorschaltungen eine Hysterese verwenden, die jede fabelhafte Zahl für die Offset-Spannung bei weitem aufwiegt, da die positive Rückkopplung vom Ausgang von den Versorgungsschienen abhängt.

Und hier ist das Hauptproblem mit Ihrem Vergleich.

Wenn Sie nach der Auswahl von Vos als Filterparameter in der TI-Liste nachsehen, ist der erste Operationsverstärker mit einer Bandbreite von 100 MHz oder mehr der OPA625. Ihre Erwartung von 250 uV, die in 50 ns einen vollen Hub erzeugen, 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.

Das bedeutet, dass Ihr Vergleich wieder fehlerhaft ist. Bei Vergleichen muss man realistisch bleiben. Ein 100-MHz-Operationsverstärker ist einem Komparator, der seinen Ausgang in 50 ns mit einer differentiellen Eingangsspannungsänderung von 250 uV schalten kann, um Jahrzehnte unterlegen.

Lassen Sie uns diese Schaltung entwerfen. Sie möchten eine Antwort von 50 Nanosekunden, daher ist eine Bandbreite von 1/50 nS oder 20 MHz unsere Startbandbreite.

Welcher LÄRMBODEN? Für eine geringe Häufigkeit von FALSE TRIGGERn muss die Rauschleistung 10 dB schwächer sein als das Signalrauschen (erzeugt 0,1 % Bitfehler). Unser gesamtes integriertes Rauschen muss 250 uV / 10 dB oder 250 uV / 3,16 oder 80 Mikrovolt RMS betragen. In 20 MHz Bandbreite.

Um die Rauschdichte (und damit das zulässige Rnoise) zu ermitteln, dividieren wir 80uV durch sqrt(bW) oder 80u/sqrt(20.000.000) oder 80u/4.500 oder 18 Nanovolt/rtHz. Da 1 kOhm gleich 4 Nanovolt/rtHz ist, können wir Rnoise-Werte von 20.000 Ohm verwenden.

Ich schlage den Breitbandverstärker RCA/Harris CA3011 mit 3 differentiellen Verstärkungsstufen vor. Das Datenblatt besagt, dass es (normalerweise) bei 600 Mikrovolt Eingang begrenzt wird, und dieser begrenzte / Rechteckwellenausgang ist sicherlich zum Ansteuern eines schnellen Komparators geeignet. Laut Datenblatt beträgt NoiseFigure 9 dB bei 4,5 MHz bei einer 1: 2-Eingangserhöhung (Resonator-PI) von 50 Ohm.

Nun zu dieser unsicheren Offset-Spannung .....