ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ТОКОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ

ДЛЯ РАБОТЫ С 10 РАЗРЯДНЫМИ АЦП / ЦАП С ЧАСТОТОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ ДО 100 МГц.

Е.М. Савченко, Р.Н. Виноградов, Д.Л. Ксенофонтов, С.В. Корнеев.

   Для современных высокоскоростных систем аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования требуются быстродействующие операционные усилители (ОУ), обладающие малым временем установления и низкими гармоническими искажениями [1] при напряжении питания не более ±5 В. В частности, для работы в качестве драйвера 10 разрядных АЦП с частотой входного сигнала до 20 МГц время установления ОУ с точностью (δ) 0,1% не должно превышать 25 нс, а гармонические искажения на максимальной входной частоте должны быть не хуже -60 дБ. В тоже время для 10 разрядных ЦАП с частой дискретизации до 100 МГц, и обработки аналогового сигнала с частотой до 20 МГц с повышенной точностью и для упрощения последующей фильтрации, время установления ОУ с δ=0,1% не должно превышать 10 нс. А поскольку в таких системах ОУ обычно используются с невысокими коэффициентами усиления (не превышающими 10-15), то наиболее подходящими являются ОУ с токовой обратной связью (ТОС) [2,3,4,5], обладающие практически неизменными динамическими характеристиками при изменении коэффициента усиления с замкнутой обратной связью (ОС) вплоть до 15-20.

   Для достижения минимального времени установления ОУ с замкнутой обратной связью необходимо обеспечить АЧХ с затуханием 20 дБ на декаду в широком диапазоне частот [6], зависящем от требуемой точности. В этом случае передаточную функцию ОУ можно представить в виде инерционного звена первого порядка:

(1)

где Т- постоянная времени, соответствующая частоте полюса передаточной функции ОУ,

При этом относительная погрешность установившегося значения напряжения на выходе ОУ в зависимости от времени при подаче на вход скачкообразного сигнала равна:

Откуда можно получить, что для δ=0,1%, т.е. точности на уровне 10 эффективных разрядов t_уст≈7*Т, а для δ=0,02% (примерно 12 разрядов)  t_уст≈8,5*Т.  Т.е. для достижения времени установления 10 нс с δ=0,1% ОУ с передаточной функцией близкой к (1) должен обладать полосой пропускания не менее 110 МГц. Однако получение однополюсной характеристики в таком широком диапазоне частот при современном уровне технологии [7], крайне затруднительно, из-за влияния, как внешних, так и внутренних паразитных элементов ОУ. А введение корректирующих цепей [6] для приведения многополюсной АЧХ ОУ к виду однополюсной характеристики так же не желательно, т.к. из-за невозможности точного согласования пар полюс-ноль может происходить существенное затягивание переходного процесса в области малых погрешностей. На практике в полосе частот до 200-300 МГц, удаётся получать АЧХ ОУ, которые приближённо можно описывать передаточной функцией второго порядка:

(2)

И поскольку отличием (2) от (1) является наличие дополнительного полюса, математически был проанализирован вопрос влияния его частоты, на изменение времени установления ОУ в сравнении с однополюсной АЧХ. Результат анализа представлен на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость tуст/Tуст*=f(w2/w1) при δ=0,1%
(здесь tуст – время установления ОУ с (2), Tуст* – время установления ОУ с (1),

w2/ - частота дополнительного полюса ОУ, w1 – частота первого полюса ОУ)

   Исходя из рисунков 2 и 3, можно сделать вывод о том, что типичные для быстродействующих и сверхбыстродействующих ОУ АЧХ №2 и №3 не является оптимальными для обеспечения малых времён установления (близких к Туст*), но обеспечивают расширение полосы пропускания с погрешностью 0,1 дБ и 3 дБ соответственно, а так же способствуют уменьшению времени фронта импульса, т.е. повышению скорости нарастания выходного напряжения (Vuвых). И для достижения времени установления менее 10 нс полоса пропускания по уровню -3 дБ (f-3) для ОУ с АЧХ №2 должна составлять не менее 180 МГц, а для ОУ с АЧХ вида №3 не менее 310 МГц.
   Если же стремиться приблизить АЧХ с переходной характеристикой вида (2) к переходной характеристики инерционного звена первого порядка, (АЧХ №1 на рис. 2) обеспечивая соотношение частот основного и дополнительного полюсов на уровне более 1,5-2, то возможно получение малых времён установления с минимальной полосой пропускания ОУ. Большим достоинством такого способа получения малого времени установления является слабая зависимость времени установления от ёмкости нагрузки в широком диапазоне её изменения, т.е. возможность работы без ухудшения характеристик с широкой номенклатурой существующих АЦП и ЦАП.

   Первоначально, для исследования возможности достижения времени установления порядка 10 нс с точностью δ=0,1% был разработан ОУ со следующими параметрами при Uип=±5 В, Av=+2, Rн=100 Ом: f-3=215 МГц, Vuвых≈1000 В/мкс для скачка выходного напряжения 4 В, и током потребления 25-27 мА. Измерения его параметров показали, что АЧХ имеет вид сходный с АЧХ №3 (Рис. 2), но подъемом 1,5-2 дБ, следствием чего является и завышенное время установления, которое составляло 13-17 нс при скачке выходного напряжения 2 В и работе на сопротивление нагрузки 100 Ом.
   Кроме этого, было выявлено существенное влияние такого участка выходных ВАХ биполярных интегральных транзисторов, как область квази-насыщения [8,9]. При переходе рабочей точки в эту область происходит значительное ухудшение частотных свойств транзисторов на малом сигнале, и накладываются существенные ограничения на изменение тока коллектора, что особенно сильно проявляется на высокой частоте при большом сигнале, когда требуется перезаряжать паразитные ёмкости интегральных элементов.
   Так же следует учитывать и то, что с ростом выходного напряжения ОУ с ТОС происходит ухудшение устойчивости, связанное с применением в качестве выходного каскада двухтактного эмиттерного повторителя, в котором не выполняется условие не возрастания фазы выходного сигнала с ростом выходного напряжения [6].

   Учитывая всё вышесказанное, был разработан ОУ с ТОС КМ1432УД8 в котором с целью улучшения устойчивости, повышения быстродействия и устранения влияния эффекта квази-насыщения был переработан усилительный каскад и улучшена система частотной коррекции ОУ. Это позволило при снижении тока потребления до 20 мА улучшить весь спектр динамических характеристик ОУ с ТОС. ОУ КМ1432УД8 при при Uип=±5 В, Av=+2, Rн=100 Ом имеет следующие параметры: f-3=280 МГц при отсутствии подъема АЧХ , скорость нарастания составляет 1600 В/мкс, что позволило обеспечить при Uвых=2 В время установления 7-10 нс при точности 0,1%. При этом гармонические искажения при Uвых(p-p)=2 В, Av=+2 и Rн=100 Ом, не превышают -61 дБ на частоте 20 МГц. Напряжение смещения ОУ КМ1432УД8 составляет 5 мВ, максимальных выходной ток превышает 50 мА, а максимальное выходное напряжение составляет ±4 В, при напряжении питания ±5 В. Диапазон возможных напряжений питания составляет от ±2,5 В до ±7 В.
   Таким образом, разработанный ОУ с ТОС КМ1432УД8Б может использоваться для замены таких зарубежных ОУ как AD9617/9618, AD9631/9632. А в тех случаях, когда не предъявляются очень высокие требования к потребляемой мощности может заменять такие ОУ с ТОС как AD8001, CLC446, EL2180, EL5193, MAX4112/4113, OPA658, THS3001 и другие, подобные им.

1. Amplifiers and Bits: An Introduction to Selecting Amplifiers for Data Converters, Bruce Carter, Patrick Rowland, Jim Karki, Perry Miller, Texas Instruments SLOA035b. Copyright 2001.
2. Уин Палмер. Быстродействующий прецизионный усилитель-преобразователь сопротивлений. - Электроника 1988 №1.
3. Doug Smith, Mike Koen, Arthur F. Witulski. Evolution of high-speed operational amplifier architectures. – IEEE Journal of solid-state circuits vol. 29 № 10 October 1994.
4. Р. Н. Виноградов, Д. Л. Ксенофонтов. Быстродействующие операционные усилители с обратной связью по току и напряжению. – Chip News, 1996 №8-9
5. Старченко Е.И., Старченко И.Е. Операционный усилитель с токовой обратной связью по напряжению. Электронный журнал МФТИ «Исследовано в России», 2001. http://zhurnal.gpi.ru/articles/2001/030.pdf
6. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983.
7. Виноградов Р.Н. Комплементарность биполярных транзисторов - преимущество полупроводниковой электроники. // “Электронная промышленность”, 1997 , N4.
8. G.M. Kull, L.W. Nagel, and etc. A unified circuit model for bipolar transistors including quasi-saturation effects. – IEEE Transaction on electron devices, vol. ed-32, №6, June 1985.
9. Farhood Moraveji. A wide-band, low-power, high slew rate voltage-feedback operational amplifier. – IEEE Journal of solid-state circuits vol. 31, №1, January 1996.