Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/LTC/D19910228Elc015.shtml

Быстродействующие недорогие операционные усилители с традиционной технологией и оригинальной схемотехникой

Фрэнк Гудинаф (Frank Goodenough)
Редакция Electronics

Frank Goodenough. Process and design bring fast, low-cost op amps, ED, 1991, No.3, pp.119—121.

Операционные усилители построены на основе стандартной 18-В биполярной технологии, но сравнимы по быстродействию и полосе пропускания с приборами, создаваемыми по КМОП-технологии.

Последние несколько лет в области быстродействующих, широкополосных интегральных операционных усилителей доминировали приборы, построенные на основе сложной и дорогой комбинированной технологии ИС на биполярных и КМОП-структурах {Электроника, 1990, №7, с.13}. Исключением являются, конечно, приборы с малым временем установления и входными каскадами на полевых транзисторах с управляющим pn-переходом. Однако по той же КМОП-техноло-гии изготавливаются сейчас и некоторые операционные усилители с полевыми транзисторами на входе. Тем не менее технологи и разработчики фирмы Linear Technology Corp. (LTC) считают, что в области быстродействующих приборов большие возможности остаются и у других технологий. Они намерены не только вступить в соревнование за качество с самыми быстродействующими из современных интегральных операционных усилителей, но и понизить их стоимость. Чтобы добиться этого, они хотят отказаться от использования вертикальных pnp-транзисторов, обеспечивающих быстродействие в КМОП-технологии.

Работа в фирме LTC предусматривает два направления. В соответствии с первым изготавливается серия LT1190 из трех операционных усилителей с видеополосой и двух усилительных блоков с видеополосой и высокоомными дифференциальными входами. Второе направление — это выпуск операционного усилителя LT1122, имеющего входные полевые транзисторы с управляющим переходом и являющегося одним из самых быстродействующих в смысле малого времени установления. Серия LT1190 изготавливается по обычной (не комплементарной) 18-В биполярной технологии. Операционный усилитель LT1120 создан на основе отработанной в фирме LTC 40-B биполярной технологии, позволяющей получить необычные поликремниевые затворы полевых транзисторов (полевые транзисторы с управляющим переходом могут быть добавлены практически в любой биполярный прибор). Приведенные значения напряжений являются максимальными. Все другие параметры серии LT1190, если это не оговорено особо, являются типовыми, а максимальные и минимальные их значения будут уточнены к марту. Значения параметров LT1122 — максимальные и минимальные — приводятся для менее качественных групп.

Пять приборов серии LT1190, предназначенных для применения в широких областях обработки видеосигналов, имеют много общего, но есть и некоторые важные отличия. Минимальные значения устойчивого усиления трех операционных усилителей LT1190, LT1191 и LT1192 равны соответственно 1, 1 и ±10, произведение усиления на полосу — 50, 90 и 400 МГц и усиление без обратной связи — 85, 90 и 100 дБ. Скорость нарастания сигнала на нагрузке сопротивлением 1000 Ом у всех пяти усилителей составляет 450 В/мкс, что соответствует полосе пропускания полного сигнала 24 МГц при размахе 6 В и напряжениях питания ±5 В.

Быстрое установление

Области применения моделей LT1190/91/92, которые являются истинными операционными усилителями, простираются от подготовки и обработки широкополосных сигналов до буферизации параллельных аналого-цифровых преобразователей. Кроме того, благодаря устойчивости LT1190 и LT1192 при единичном усилении они пригодны для быстрых интеграторов и активных фильтров. Хотя передача импульсов без искажений не является их прямым назначением, время установления с точностью 0,1% (10 разрядов) при 3-В скачке составляет всего 100 нс. С точки зрения установления усилители являются симметричными (времена установления положительных и отрицательных сигналов равны, и форма этих сигналов приблизительно одинакова), влияние местных перегревов на форму сигнала отсутствует, а высокое собственное усиление обеспечивает необходимую точность.

Такие значения быстродействия и полосы пропускания всех рассмотренных интегральных схем достигнуты благодаря технологии и архитектуре, которые защищены двумя патентами (см. рисунок). Типовой для интегральных операционных усилителей дифференциальный второй каскад заменен новой схемой несимметричного сдвигателя уровня на медленном продольном pnp-транзисторе, за которым следует несимметричный усилительный npn-каскад. Высокочастотные составляющие сигнала минуют сдвигатель уровня через конденсатор прямой связи. Положение прямой связи внутри контура компенсации эффекта Миллера в усилительном каскаде предотвращает несимметрию времен установления, возникающую обычно в схеме с прямой связью прежних операционных усилителей, например типа 118. Оправдывая принцип «назад в будущее», схема содержит вместо почти универсального дополняющего выходного каскада эмиттерный повторитель класса А.

Несимметричный второй каскад усилителей серии LT1190 содержит прямую связь в обход медленного pnp-сдвигателя уровня, расположенного внутри цепи компен
Несимметричный второй каскад усилителей серии LT1190 содержит прямую связь в обход медленного pnp-сдвигателя уровня, расположенного внутри цепи компенсации эффекта Миллера. Схема характеризуется меньшим временем установления по сравнению с прежними и является симметричной по временам установления и скоростям нарастания сигналов разных полярностей. В усилителях видеосигналов LT1193 и LT1194 на входе добавлен дополнительный дифференциальный каскад для увеличения входного сопротивления до 100 кОм.

Главной характеристикой каждого прибора серии является выходной ток величиной 50 мА, достаточный для работы на емкостную нагрузку и линии передачи с волновым сопротивлением от 50 до 100 Ом. При напряжениях питания ±5 В операционные усилители создают на нагрузке сопротивлением 1000 Ом сигнал размахом напряжения ±3 В. При напряжениях питания ±8 В размах выходного напряжения возрастает до ±7 В, уменьшаясь только до ±6,5 В при нагрузке сопротивлением 100 Ом. Все пять усилителей могут работать и от одного напряжения питания величиной 5 В, обеспечивая размах сигнала 3,75 В при несколько меньшем быстродействии и более узкой полосе.

Дифференциальные усилительные видеоблоки LT1193 и LT1194 построены на основе той же схемы, что и операционные усилители. Добавлен только дополнительный входной дифференциальный каскад. Входное сопротивление обоих блоков составляет 100 кОм. Входное напряжение вызывает появление во входных npn-транзисторах дифференциального тока, который возбуждает второй аналогичный каскад с резисторами обратной связи. Такие резисторы в составе LT1194 задают его усиление, равное 10. В случае использования прибора LT1193 резисторы устанавливаются пользователем снаружи для задания усиления от 2 до нескольких сотен. Подача высокого уровня напряжения на вывод баланса усилителя LT1194 в течение нескольких наносекунд снижает усиление до единицы, что может быть использовано в случае обнаружения перегрузки или при применении усилителя в составе схемы автоматического регулирования усиления.

Нагрузочная способность, равная 50 мА, определяет основное применение LT1193 и LT1194 — работу на кабели. Обработка сигнала, поступающего с симметричных линий, облегчается наличием дифференциальных входов. Для быстродействующих усилителей видеосигналов редким свойством является присущее LT1193 и LT1194 большое ослабление синфазных сигналов, составляющее 80 дБ. Эти же усилители хорошо ослабляют помехи, наводимые обычно на длинные экранированные кабели и витые пары проводов. Работа LT1193 с усилением, равным 2, позволяет компенсировать потерю сигнала в линии с двойным согласованием.

Все быстродействующие широкополосные усилители ценятся в соответствии с их качеством. Здесь собственный ток потребления операционных усилителей составляет 32 Ма, а усилительных блоков — 35 мА. Из этого тока 10 мА потребляет выходной каскад класса А. Правда, при подаче на вывод отключения отрицательного напряжения питания потребление падает до 1,2 мА.

Кроме того факта, что LT1122 также является быстродействующим широкополосным усилителем, у него мало общего с серией LT1190. Его назначение состоит в точной передаче импульсов. На выходе усилителей всех групп скачок напряжения величиной 10 или —10 В устанавливается срочностью 0,01% от установившейся величины за время не более 540 не, и к тому же эта величина гарантируется. Более того, все приборы групп А и С подвергаются 100%-ному контролю по этому параметру. Измерение этого параметра (с 12-разрядной точностью, или 0,01%) при производственном контроле раньше отнимало много времени и поэтому было невыгодным. Даже если этот параметр гарантировался, контроль обычно выполнялся выборочно.

Новая схема контроля

С целью сокращения затрат специалисты по контролю фирмы LTC разработали новую схему контроля с использованием двух полюсов быстродействующего аналогового счетверенного ключа LTC201А этой фирмы в качестве генератора сигнала с плоской вершиной и размахом ±10 В. Скорость нарастания, равная 50 В/мкс, удовлетворяет требованию полносигнальной полосы пропускания свыше 1 МГц. Типовая полоса пропускания при единичном усилении составляет 13 МГц (все параметры приводятся для самой низкокачественной группы LTC1122).

Для многих применений в области высоких частот малый ток смещения, характерный для операционных усилителей с полевыми транзисторами на входе, не нужен. Правда, в тех случаях, когда в нем есть необходимость, например в интеграторах, усилителях выборки и преобразователях тока фотодиодов в напряжение, как раз может пригодиться прибор LT1122 с его током смещения, равным 100 пА. Более того, благодаря устойчивости LT1122 при усилениях от максимального до единичного (в отличие от многих быстродействующих операционных усилителей с полевыми транзисторами на входе) он очень подходит для преобразователей тока в напряжение. Так например, этот усилитель может обслуживать 12-разрядные цифро-аналоговые преобразователи с токовым выходом. Еще одним применением LT1122 может стать буферизация быстродействующих аналоговых мультиплексоров (быстродействие которых постоянно растет) при точности в пределах 12 разрядов, поскольку именно здесь требуется присущее полевым транзисторам высокое входное сопротивление.

Как и операционные усилители серии LT1190, прибор LT1122 также совмещает высокое собственное усиление (103 дБ при сопротивлении нагрузки 1 кОм, что очень много для интегрального операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе) с симметричностью времен установления и скоростей нарастания. К тому же типовое значение коэффициента нелинейных искажений составляет 0,001% (при выходном напряжении 7 В эфф. на нагрузке сопротивлением 5 кОм и на частотах от 20 Гц до 20 кГц). При таких малых искажениях и полносигнальной полосе пропускания 1 МГц усилитель LT1122 должен найти широкое признание у специалистов по звуковой технике. Даже при нагрузке 600 Ом собственное усиление составляет не менее 100 дБ.

Напряжение смещения нуля, хотя оно и не удовлетворяет требованиям класса ОР-07, все же не превышает 1 мВ (точнее 900 мкВ), а ослабление синфазных составляющих равно 80 дБ, и по этим параметрам усилитель превосходит большинство приборов с полевыми транзисторами. При работе на нагрузку сопротивлением 600 Ом и напряжениях питания ±15 В размах сигнала на выходе LT1122 достигает ±11,5 В. Ток потребления равен 11 мА. Следует заметить, что, как и большинство приборов с полевыми транзисторами, такой операционный усилитель требует двух напряжений питания со средней точкой. Правда, он может работать даже при напряжениях питания ±5 В, хотя и с потерей качества.

Группы А и В повышенного качества отличаются от групп С и D более низкого качества весьма незначительно. Например, напряжение смещения нуля, скорость нарастания, время установления и усиление без обратной связи для первых двух групп составляют соответственно 600 мкВ, 60 В/мкс, 540 нc и 105 дБ. Те же параметры для групп более низкого качества равны соответственно 900 мкВ, 50 В/мкс, 590 нc и 103 дБ. Все группы продаются с проверенными (или непроверенными) параметрами, касающимися времени установления.

Цены и условия поставки

Схемы серии LT1190 поставляются в пластмассовых (коммерческих) и керамических (военного назначения) восьмивыводных корпусах DIP и SOIC (только коммерческого назначения). В партиях из 100 шт. прибор LT1190 в пластмассовом корпусе DIP стоит 2,25 долл., LT1191 и LT1192 —2,40 долл., a LT1193 и LT1194 — 2,95 долл. LT1122 поставляется в таких же корпусах и на те же диапазоны рабочих температур. В партиях из 100 шт. усилитель LT1122DCN (низкокачественная группа, выпускаемая в пластмассовых корпусах DIP с выборочным контролем времени установления) стоит 2,5 долл. Модель LT1122CCN — тот же усилитель со 100%-ным контролем времени установления — стоит 2,95 долл. в партии из 100 шт. Малые партии поставляются сразу после получения заказа.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 64, No.03 (856), 1991г - пер. с англ. М.: Мир, 1991, стр.46

Electronics Design Vol.39 No.01 January 10, 1991 A Penton Publication

Electronics Design Vol.39 No.03 February 14, 1991 A Penton Publication

Frank Goodenough. Process and design bring fast, low-cost op amps, ED, 1991, No.3, pp.119—121.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Операционные усилители





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/LTC/D19910228Elc015.shtml