Warum nimmt die Bandbreite eines Operationsverstärkers ab, wenn die Temperatur abnimmt?

"Auswirkungen von thermischen Zyklen bei extremen Temperaturen des 8-Pin-Plastik-Dip-Gehäuses ... OP181GP ... " Es ist ein ungewöhnlicher Artikel. Sie könnten denken, dass der Schwerpunkt auf den latenten Auswirkungen von Temperaturwechseln und dem Betrieb danach liegt. Aber nein, es geht mehr um den Betrieb eines Operationsverstärkers in Industriequalität bei Temperaturen von bis zu 90 ° C und bis zu -185 ° C. 90°C liegen nicht weit außerhalb der angegebenen Betriebstemperaturgrenzen von 85°C bis -45°C, aber -185°C oder etwa 88K liegen weit außerhalb des Bereichs. 88 K ist kryogen, die Temperatur, bei der flüssiges Argon zu sieden beginnt.

Das OP181 ist ein Bi-CMOS-Mikro-Leistungsteil, das von Analog Devices eingestellt wurde (wenn Sie also einen Blick auf das Datenblatt werfen möchten, zögern Sie nicht). Es verfügt über einen Rail-to-Rail-Ausgang und einen Versorgungsstrom von 4 uA. Das Verstärkungsbandbreitenprodukt beträgt 95 kHz mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 28 V/ms.

Warum dieser OpAmp ein Jahrzehnt an Bandbreite verlieren könnte, während er in einer Pfütze aus kochendem Argon arbeitet, werfen wir einen zugegebenermaßen groben Blick darauf. Jede detailliertere Analyse würde die verfügbaren Informationen sprengen und zu sehr der echten Arbeit ähneln, um sie weiterzuverfolgen.

Die Anstiegsgeschwindigkeit ist ein entscheidender Begrenzer für diesen OpAmp. Alle Tests in diesem Artikel wurden mit einer invertierenden Verstärkerkonfiguration (100-kOhm-Widerstände) und einer Sinus-Eingangsspannung von 1 V Spitze durchgeführt. Dies sind Großsignaltests, und bei diesen Signalpegeln wird der Verstärker für Frequenzen über etwa 4,5 kHz auf die Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt.

Mögliche Ursachen für Bandbreitenverlust / Anstiegsgeschwindigkeit

Zuerst müssen wir uns die Parameter mit den größten thermischen Koeffizienten ansehen ($\alpha$). Das lässt die Kapazität sofort aus, da Kappen in ICs, insbesondere solche, die für die Miller-Kompensation verwendet werden, ziemlich gut sind$\alpha$von etwa 50 ppm. Bei einem Temperaturabfall von 212 K ist das nur ein Kapazitätsverlust von ~1 %. Nichts, über das man sich sorgen sollte.

Was ist übrig? Da es sich um BiCMOS und Mikroleistung handelt, gibt es BJTs, CMOS-FETs und einige hochwertige Widerstände. Temperaturkoeffizienten in ICs für große Widerstände (im Bereich von 100 kOhm) sind tendenziell groß (~ 5000 ppm). FET-Steilheit ($g_ {\text {fs}}$) hat eine große negative Abhängigkeit von der Temperatur. Wichtig seit$g_ {\text {fs}}$multipliziert die Wirkung des Miller-Rückkopplungskondensators ($C_f$). Wenn wir uns das vereinfachte Schema (Abbildung 32) im Datenblatt ansehen, sehen wir 2 BJTs, aber hauptsächlich CMOS.

Die Eingangsstufe ist ein einfach aussehender PNP-Diff-Verstärker, während der Ausgang ein Class-AB-Common-Source-Verstärker ist. Der Betrieb bei niedriger Temperatur würde den Wert des Kollektorwiderstands verringern ($R_c$) was zu Verstärkungsverlusten in der Eingangsstufe führt und ansteigt$g_ {\text {fs}}$in der Endstufe multipliziert die Größe von$C_f$, würden diese kombiniert die Anstiegsgeschwindigkeit verringern. Das ist zumindest die Hypothese.

Ist die Hypothese wahr?

Beginnend mit der Antwort für diejenigen unter Ihnen, die es kaum erwarten können oder einfach nicht lesen möchten, ja, es scheint wahr zu sein. Ein Modell der Schaltung im Artikel wurde geschrieben und mit einem Temperaturparameter von 300 K ausgeführt. Dann Ausgangsstufe$g_ {\text {fs}}$und Diff-Amp$R_c$Werte wurden für 88K geändert und erneut ausgeführt.

Ein Vergleich dieser Diagramme (mit Vin von 1 kHz und 1 Vpk) mit denen des Artikels (Abbildung 9a) zeigt eine große Ähnlichkeit. Es scheint, dass der OP181 besser nach unten zieht als nach oben (keine Überraschung), während das Modell symmetrisch ist. Es wurden keine Läufe mit 10 kHz durchgeführt, da der OpAmp dort bereits in der Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt ist und Temperatureffekte nicht so dramatisch sind.

Analyse

Da nicht viel über die Schaltungsdetails bekannt ist, insbesondere im Mittelteil und in den Stromquellen, betrifft diese Analyse den Diff-Amp und den Ausgangsverstärker und geht davon aus, dass thermische Änderungen der anderen Bits vernachlässigbar sind. Es gibt auch ein SPICE-Modell am Ende des Datenblatts, das gute Informationen über einige Teilgrößen und Skalierungen liefert.

Die Verstärkung der Diff-Amp-Stufe wird direkt mit skaliert$R_c$(Kollektorwiderstand, hier mit ~500 kOhm angenommen). Also ein Zwischenstopp$R_c$mit der Temperatur würde die Verstärkung um den gleichen Betrag verringern. Wenn$R_c$hat$\alpha$von 5000 ppm (ungefähr das, was in einem p-Well-Widerstand zu sehen wäre), hätte die Verstärkung eine Temperaturabhängigkeit wie:

$e^{\alpha \left(T-T_o\right)}$=$e^{0.005 (88-300)}$= 0,35

oder ein Verlust von ~ 9 dB Verstärkung bei einem Temperaturabfall von 212 K. Gain wäre ziemlich unempfindlich$\beta$Und$V_{\text{be}}$Änderungen, sodass diese Parameter nicht berücksichtigt werden.

Schwieriger wird es bei der Endstufe. Der dominierende Faktor sollte hier die Änderung sein$g_ {\text {fs}}$, was negativ ist$\alpha$. Änderung von$g_ {\text {fs}}$folgt Mobilität wie:

$\left(\frac{T}{T_o}\right)^{-1.5}$=$\left(\frac{88}{300}\right)^{-1.5}$= 6,3

So,$g_ {\text {fs}}$bei einem Temperaturabfall von 212K ein Anstieg um den Faktor 6 zu erwarten wäre. Was bedeutet das für den Etappengewinn und die Miller-Pole-Position? Um dies zu beantworten, muss der Treiber oder die Schnittstelle zwischen dem Diff-Amp und dem Ausgangsverstärker berücksichtigt werden. Das Interface sieht aus wie eine gemeinsame Gate-Stufe, die direkt vom Diff-Amp gespeist wird. Das heißt, es hat eine hohe Ausgangsimpedanz ($R_{\text{mid}}$) und etwas Spannungsverstärkung, aber der Strom in der Schnittstelle kann nicht höher sein als der des Diff-Amps (~ 1uA). Grob gesagt, Schnittstellentranskonduktanz ($g_ {\text {mid}}$) wäre weniger als ~ 1 uA / V, und$R_{\text{mid}}$wäre größer als ~10 MOhm. (Beachten Sie, dass diese Grenzwerte als Startwerte im Modell verwendet und iteriert wurden, um die Anstiegsgeschwindigkeit abzustimmen. Die Endwerte waren 0,4 uA/V und 60 MOhm, was ziemlich nahe an den groben SPICE-Äquivalenten lag.)$R_{\text{mid}}$wäre ein synthetischer oder aktiver Widerstand. Die DC-Verstärkung der Schnittstellenschaltung in Kombination mit dem Ausgangsverstärker wäre:

$A_{\text{vo}}$~ -$g_ {\text {mid}}$ $R_{\text{mid}}$ $g_ {\text {fs}}$ $R_L$

mit dem Miller-Pol bei:

$F_m$~$\frac{1}{2 \pi C_f g_{\text{fs}} R_L R_{\text{mid}}}$Hertz

Was bedeutet, dass bei 88K$A_{\text{vo}}$um den Faktor 6 oder 15dB erhöht, und$F_m$um den Faktor 6 oder ~ 2,6 Oktaven abnehmen würde.

Abschiedsaufnahmen

Die Analyse hob zwei Dinge hervor, die ziemlich interessant waren, obwohl sie vielleicht offensichtlich hätten sein sollen.

• Die im Diff-Amp verlorene Verstärkung wurde durch die erhöhte Verstärkung im Ausgangsverstärker bei darunter liegenden Frequenzen etwas mehr als wettgemacht$F_m$, aber die Gesamtverstärkungsbandbreite wurde immer noch um ~2 Oktaven durch Rezession von reduziert$F_m$.

• Slew Rate nimmt einen doppelten Treffer. Die in der Diff-Amp-Stufe verlorene Verstärkung reduzierte die Anstiegsgeschwindigkeit auf 1/3 des angegebenen Betrags. Erhöhung der$g_ {\text {fs}}$im Ausgangsverstärker reduzierte Anstiegsgeschwindigkeit auf 4/7 der angegebenen. Diese Effekte kaskadieren, die Anstiegsgeschwindigkeit bei 88 K betrug schließlich 5,3 V/ms.

Bearbeiten Sie über COTS:

Das ist wirklich komisch. Als ich die Website von Analog Devices nach etwas anderem durchsuchte, stieß ich auf diese Pressemitteilung über COTS . Hier ein Zitat: „Es gibt Grund zu der Annahme, dass ADI-Teile in kommerzieller und industrieller Qualität von Dritten für den Einsatz in Militär- und Raumfahrtanwendungen empfohlen werden, die ihre Datenblattparameter überschreiten.“ Sieht also so aus, als ob ADI bei der NASA ist.

In diesem Artikel wird erklärt, dass „bipolare Transistoren aufgrund des drastischen Abfalls der Ladungsträgerdichte im Allgemeinen bei so niedrigen Temperaturen nicht funktionieren“.

Wenn Sie jetzt einen Operationsverstärker herstellen, wird er auf einem Bare-Die hergestellt und dann verpackt. Offensichtlich besteht die Topologie eines grundlegenden OPAMPs immer noch aus Grundelementen (dh Widerständen). Wenn Sie also in das Datenblatt eines Operationsverstärkers schauen, werden Sie feststellen, dass die Bandbreite von der Reihe der Widerstände abhängt. Wenn sich der physikalische Zustand von Widerständen ändert, ändert sich die Gesamtbandbreite ( Lesen Sie dies ).