Быстродействующие операционные усилители: обзор, характеристики и применение

Что такое быстродействующие операционные усилители. Какими параметрами характеризуются быстродействующие ОУ. Для чего применяются быстродействующие ОУ в современной электронике. Какие компании производят лучшие быстродействующие ОУ. Как выбрать подходящий быстродействующий ОУ для конкретного применения.

Что такое быстродействующие операционные усилители

Быстродействующие операционные усилители (ОУ) — это специальный класс ОУ, оптимизированных для работы на высоких частотах. Основные параметры, характеризующие быстродействие ОУ:

• Полоса пропускания (Bandwidth) — диапазон частот, в котором коэффициент усиления не падает более чем на 3 дБ
• Скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate) — максимальная скорость изменения выходного напряжения при подаче на вход ступенчатого сигнала
• Время установления выходного сигнала (Settling Time) — время, за которое выходной сигнал достигает установившегося значения с заданной точностью

Современные быстродействующие ОУ имеют полосу пропускания от сотен МГц до единиц ГГц, скорость нарастания порядка 1000-5000 В/мкс и время установления единицы наносекунд.

Основные характеристики быстродействующих ОУ

Помимо параметров быстродействия, важными характеристиками таких усилителей являются:

• Коэффициент усиления
• Входное и выходное сопротивление
• Уровень шумов
• Коэффициент нелинейных искажений
• Диапазон питающих напряжений
• Потребляемая мощность

Быстродействующие ОУ часто имеют относительно низкий коэффициент усиления (порядка 40-60 дБ) и высокий уровень шумов по сравнению с прецизионными ОУ. Это обусловлено необходимостью обеспечения стабильности на высоких частотах.

Области применения быстродействующих ОУ

Основные сферы применения быстродействующих операционных усилителей:

• Высокочастотные измерительные приборы (осциллографы, анализаторы спектра)
• Радиочастотные и СВЧ устройства
• Высокоскоростные АЦП и ЦАП
• Видеоусилители
• Оптические приемники
• Драйверы лазерных диодов
• Импульсная и цифровая техника

Быстродействующие ОУ позволяют работать с сигналами в диапазоне частот до единиц ГГц, что критично для многих современных электронных устройств.

Ведущие производители быстродействующих ОУ

Лидерами в производстве высокоскоростных операционных усилителей являются следующие компании:

• Texas Instruments
• Analog Devices
• Maxim Integrated
• Linear Technology
• ON Semiconductor

Эти производители предлагают широкий ассортимент быстродействующих ОУ с различными характеристиками под разные применения. Выбор конкретной модели зависит от требований к параметрам в каждом конкретном случае.

Особенности проектирования схем с быстродействующими ОУ

При разработке устройств на основе высокоскоростных ОУ необходимо учитывать ряд важных моментов:

• Тщательный выбор цепей обратной связи для обеспечения устойчивости
• Минимизация паразитных емкостей и индуктивностей в схеме
• Использование специальных высокочастотных конденсаторов и резисторов
• Оптимальная разводка печатной платы с учетом ВЧ-эффектов
• Экранирование чувствительных цепей
• Развязка по питанию

Соблюдение этих правил позволяет максимально реализовать потенциал быстродействующих ОУ в реальных устройствах.

Сравнение быстродействующих ОУ разных производителей

Рассмотрим характеристики некоторых популярных моделей быстродействующих ОУ:

Модель	Производитель	Полоса пропускания	Скорость нарастания	Время установления
OPA855	Texas Instruments	8 ГГц	5000 В/мкс	1 нс
ADA4870	Analog Devices	1 ГГц	2500 В/мкс	3.5 нс
MAX4107	Maxim Integrated	1.7 ГГц	4100 В/мкс	2.5 нс

Как видно, современные быстродействующие ОУ обеспечивают впечатляющие характеристики по скорости и полосе пропускания. Выбор конкретной модели зависит от требований в каждом конкретном применении.

Тенденции развития быстродействующих ОУ

Основные направления совершенствования высокоскоростных операционных усилителей:

• Дальнейшее увеличение полосы пропускания и скорости нарастания
• Снижение уровня шумов и искажений
• Уменьшение потребляемой мощности
• Расширение функциональности (встроенные АЦП, программируемое усиление и т.д.)
• Повышение устойчивости к электромагнитным помехам
• Миниатюризация корпусов

Прогресс в области полупроводниковых технологий позволяет постоянно улучшать характеристики быстродействующих ОУ, расширяя возможности их применения в современной электронной аппаратуре.

Заключение

Быстродействующие операционные усилители являются ключевыми компонентами для работы с высокочастотными сигналами в современной электронике. Они находят широкое применение в измерительной технике, телекоммуникациях, видеотехнике и многих других областях. Ведущие производители предлагают широкий выбор быстродействующих ОУ с различными характеристиками под разные задачи. При правильном применении такие усилители позволяют создавать высокоэффективные устройства обработки сигналов в гигагерцовом диапазоне частот.

Быстродействующие ОУ компании «Fairchild Semiconductor»

• Главная
• База знаний
• Быстродействующие ОУ компании «Fairchild Semiconductor»

Отличительные черты:

Широкий диапазон рабочих частот

Высокие значения коэффициентов подавления синфазных помех, подавления помех по цепям питания, усиления

Улучшенная стабильность

Широкий диапазон частот по уровню 0. 1 дБ обеспечивает максимально плоскую характеристику усиления

Низкие значения дифференциальной фазы/усиления

Высокий выходной ток для управления многочисленными нагрузками

Малый входной ток и напряжение смещения — улучшенная точность по постоянному току

Малый уровень искажений — возможность напрямую управлять высокоскоростными АЦП

Низкий потребляемый ток позволяет разработчикам улучшить характеристики устройства по потребляемой мощности

Высокие значения скорости нарастания выходного напряжения — быстрая реакция на импульсные сигналы

Описание серии быстродействующих операционных усилителей компании Fairchild (pdf, на английском языке) — High Performance Amplifiers

Uсм. — Напряжение смещения
Iвх. — Входной ток
Ку. — Коэффициент усиления (при разомкнутой петле обратной связи)
BW — Граничная частота
SR — Скорость нарастания выходного напряжения
en — Нормированное напряжение шумов
Uпит.

— Диапазон питающего напряжения
Iпотр. — Потребляемый ток на усилитель
N — Количество усилителей в корпусе
R/R — Размах напряжения в диапазоне Uпит. (Rail-to-rail)
PD — Наличие режима пониженного энергопотребления (включается и выключается внешним сигналом)
DG — Дифференциальное усиление
DF — Дифференциальная фаза
Iвых. — Выходной ток

Модель	N	PD	R/R	BW (Кус.=2), МГц	SR, В/мкс	DG, %	DF, град.	Iпотр.мА	Iвых., мА	en, нВ/√Гц	Uсм., мВ	Iвх. , мкА	Ку., дБ	Uпит.,В	Корпус	Описание
FHP3130	1	Нет	Выход	50	110	0,005	0,009	2,5	100	17	1	-1,8	100	2,5:12	SOIC	Одиночный быстродействующий операционный усилитель с Uпит.=2,7…12В и выходом Rail-to-Rail
FHP3230	2	Нет	Выход	50	110	0,005	0,009	2,5	100	17	1	-1,8	100	2,5:12	MSOP8	Сдвоенный быстродействующий операционный усилитель с Uпит. =2,7…12В и выходом Rail-to-Rail
FHP3430	4	Нет	Выход	50	110	0,005	0,009	2,5	100	17	1	-1,8	100	2,5:12	SOIC14, TSSOP14	Счетверенный быстродействующий операционный усилитель с Uпит.=2,7…12В и выходом Rail-to-Rail
FHP3131	1	Да	Выход	28	50	0,04	0,13	0,4	30	12	1	1,4	100	2,5:12	MicroPak6, SOT23-6	Одиночный операционный усилитель с Iпотр=0.4мА, Uпит. =2.5…12В, полосой пропускания 70МГц, и выходом Rail-to-Rail
FHP3132	1	Нет	Выход	90	400			2,5	100	17	1	-1,8	100	2,7:12	SOT-23-6	Одиночный быстродействующий операционный усилитель с выходом Rail-to-Rail
FHP3232	2	Нет	Выход	90	400			2,5	100	17	1	-1,8	100	2,7:12	SOIC	Сдвоенный быстродействующий операционный усилитель
FHP3350	3	Да	Нет	210	1100	0,07	0,03	3,6	55	8,5	1	0,05	58	3:12	SOIC	Быстродействующий усилитель
FHP3450	4	Да	Нет	210	1100	0,07	0,03	3,6	55	8,5	1	0,05	58	3:12	SOIC	Быстродействующий усилитель

FHP3130/SOT23	FHP3130/SOIC	FHP3230/SOIC/MSOP	FHP3430/SOIC/TSSOP
FHP3131/Micropak	FHP3131/SOT23	FHP3232/SOIC	FHP3132/SOT23
FHP3350/TTSOP		FHP3450/TSSOP

5.

Операционный усилитель. Схемотехника операционных усилителей. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики для малого сигнала. Быстродействующие широкополосные операционные усилители

Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью. Он имеет высокое входное сопротивление и практически бесконечно большой коэффициент усиления K_U. Несмотря на то, что связь ОУ с общей шиной обычно не указывается явно (рис. 5.1,а), она всегда имеет место и осуществляется через источники питания (рис. 5.1,б). Поэтому функционально ОУ часто рассматривают как четырехполюсник, имеющий кроме общего вывода два входа и один выход. Один из входов усилителя, отмеченный знаком «+» называют неинвертирующим, или прямым, другой вход, отмеченный знаком «–», называется инвертирующим. При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с увеличением напряжения U₊ на прямом входе или с уменьшением напряжения U_ на инвертирующем. Дифференциальный и синфазный входные сигналы, обозначаемые соответственно U и U_СФ, определяются по формулам:

U = U₊ — U_ (5.1)

U_СФ= 0.5(U₊ + U_) (5.2)

а)		б)

Рис. 5.1. Обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель является дифференциальным устройст­вом, способным реагировать только на дифференциальный сигнал. Влияние синфазного сигнала пренебрежимо мало и может рассматри­ваться лишь при оценке погрешности в работе ОУ.

Идеализированная модель ОУ предполагает, что связь между входным дифференциальным сигналом и выходным напряжением описывается соотношением

U_ВЫХ = K_UU (5. 3)

Поскольку K_U , то использовать ОУ можно только в условиях действия отрицательной обратной связи, осуществляемой через внешнюю цепь, как показано на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Операционный усилитель с обратной связью

Внешняя цепь чаще всего является линейной пассивной цепью, однако в общем случае может содержать дополнительные усилительные элементы. Обратная связь будет отрицательной, если при увеличении выходного напряжения U_ВЫХ = U_ОС уменьшится U. В этом случае в цепи обратной связи уста­навливается равновесный режим, при котором U = U_ВЫХ/ K_U0, т. е. ОУ выполняет по отношению к внешней цепи функцию автоматического регулятора, формирующего на своем выходе такой сигнал управления внешней цепью, при котором дифференциальный сигнал U на входе ОУ (рассматриваемый как сигнал рассогласования) принимает нулевое значение.

Общий коэффициент A_COM усиления будет зависеть от усиления ОУ (А) и коэффициента обратной связи (β)

(5. 4)

и при больших βА он равен 1/β т.е. не зависит от А.

Для устойчивости схемы с обратной связью необходимо, чтобы при частоте единичного усиления фазовая задержка ОУ была меньше 180⁰.

Каждый усилительный каскад, обладая инерционностью, вносит фазовый сдвиг до 90⁰, и допустимое количество усилительных каскадов ограничено.

Обычно в состав ОУ входят:

1) входной дифференциальный каскад;

2) промежуточный каскад с высоким усилением;

3) выходной каскад;

4) источник опорных напряжений;

5) цепь компенсации.

Выходной каскад предназначен для работы на большую внешнюю нагрузку и его коэффициент усиления обычно меньше единицы. У операционных усилителей, нагруженных только на емкостную нагрузку (внутри кристалла), выходной каскад может отсутствовать, либо они могут содержать только один каскад с высоким выходным сопротивлением. Подобные усилители преобразуют (трансформируют) входное напряжение в выходной ток и их часто называют операционными транс­формирующими усилителями (ОТУ). Фактически ОУ состоит из ОТУ и выходного каскада, согласованных по режиму и диапазонам сигналов, имеющих общий источник опорных напряжений. Во входном каскаде и или в промежуточном могут использоваться каскодные схемы.

В некоторых применениях в ОУ используют более двух усили­тельных каскадов, но в этом случае приходится усложнять цепь компенсации.

Высокоскоростные операционные усилители (GBW ≥ 50 МГц)

Мы предлагаем линейку быстродействующих операционных усилителей с наивысшими характеристиками в отрасли с коэффициентом усиления полосы пропускания (GBW) в диапазоне от 50 МГц до 8 ГГц. Наши быстродействующие операционные усилители отличаются лучшей в своем классе полосой пропускания, шумом, точностью, малыми размерами, а также специализированными изделиями для высоковольтных конструкций (> 12 В).

Выбор по параметрическому заданию

Рекомендуемые быстродействующие операционные усилители

Технические ресурсы

Белая книга

Технический документ

Знакомство с автомобильным лидаром (версия A)

Знакомство с промышленными и автомобильными решениями для обнаружения света и определения дальности по времени пролета (ToF) для обслуживания автономных систем нового поколения

document-pdfAcrobat ПДФ

Электронная книга

Электронная книга

Карманный справочник инженера-аналогиста, пятое издание (Rev. C)

Электронная книга, в которой у вас всегда под рукой часто используемые аналоговые формулы

document-pdfAcrobat ПДФ

видео

Видео

Высокоскоростные усилители для автомобилей

Краткий обзор высокоскоростных усилителей TI для автомобильных приложений.

Откройте для себя рекомендуемые приложения

Интеллектуальный счетчик

Маломощные широкополосные усилители для высокоточных аналоговых входных измерений в ультразвуковых системах измерения расхода.

Осциллограф и дигитайзер

Усилители на полевых транзисторах (JFET) для высокой точности постоянного тока и аналоговых входных каскадов с широкой полосой пропускания сигнала.

LIDAR

Дискретные и интегрированные широкополосные трансимпедансные усилители (TIA) для универсальных систем LIDAR и Optical Time of Fight (ToF).

Маломощные широкополосные усилители для высокоточных аналоговых входных измерений в ультразвуковых системах измерения расхода.

Наш портфель высокоскоростных усилителей обеспечивает гибкость между широкополосным, низким уровнем шума и низким энергопотреблением, чтобы обеспечить лучшее решение для ультразвукового измерения расхода без ущерба для производительности системы.

• Лучшие в своем классе метрологические характеристики: широкополосные усилители для улучшенных характеристик однократного стандартного отклонения.
  
• Низкий уровень шума для обнаружения сигналов малой амплитуды: малошумящие усилители для предотвращения ограничения отношения сигнал-шум системы (SNR)
• Низкое энергопотребление:  <1 мкА в режиме отключения и 1 мА в усилителях тока покоя для минимизации влияния батареи.

Избранные ресурсы

ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

• TIDM-02005 – Оптимизированный эталонный проект ультразвукового зондирования для измерения расхода воды
• TIDM-02003 — Эталонный проект подсистемы ультразвукового датчика для измерения расхода газа

ПРОДУКТЫ

• OPA838 – 1 мА, полоса усиления 300 МГц, операционный усилитель с обратной связью по напряжению
• OPA836 — Очень маломощный, выход Rail-to-Rail, отрицательный вход Rail, операционный усилитель VFB
• OPA835 — ультрамаломощный, Rail-to-Rail Out, отрицательный вход Rail, усилитель VFB

Усилители

Junction на полевых транзисторах (JFET) для высокой точности постоянного тока и аналоговых входных каскадов с широкой полосой пропускания сигнала.

Высокопроизводительные системы, такие как осциллографы, используют сигнальную цепочку аналогового входного каскада (AFE) для захвата высокочастотных сигналов и импульсов с быстрым переходным процессом. Наш широкий выбор входных усилителей JFET предлагает широкую полосу пропускания, низкий уровень шума и искажений для удовлетворения требований вашей системы.

• Измерение сигналов в широком диапазоне частот : широкий диапазон 3 дБ до 3 ГГц
• Предотвращает загрузку измеряемого сигнала : усилители постоянного тока до 500 МГц с высоким входным сопротивлением (Hi-Z)
• Обнаружение сигналов малой амплитуды : малошумящие усилители для обеспечения высокого отношения сигнал/шум

Избранные ресурсы

ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

• TIDA-01022 — эталонный проект гибкого многоканального AFE 3.2-GSPS для DSO, радаров и беспроводных испытательных систем 5G
• TIDA-00826 — Эталонный проект внешнего интерфейса осциллографа с сопротивлением 50 Ом и частотой 2 ГГц

ПРОДУКТЫ

• BUF802 – Широкополосный, 2,3 нВ/√Гц, буфер JFET с высоким входным импедансом
• OPA859 — полоса пропускания с единичным усилением 1,8 ГГц, 3,3 нВ/√Гц, входной усилитель на полевых транзисторах
• OPA810 — одноканальный, высокопроизводительный, 27 В, 140 МГц, операционный усилитель на полевых транзисторах RRIO

Дискретные и интегрированные широкополосные трансимпедансные усилители (TIA) для универсальных систем LIDAR и Optical Time of Fight (ToF).

Оптические системы ToF и LIDAR используются в самых разных продуктах, включая дальномеры, робототехнику, дроны и автомобильные ADAS. Мы предлагаем гибкие трансимпедансные усилители (TIA) для упрощения оптической системы.

• Упрощение конструкции системы: встроенных функций, включая клещи входного тока и подавление внешней засветки
• Повышение разрешения системы: многоканальные TIA с выходным мультиплексированием позволяют использовать системы с высоким разрешением
• Измерение коротких импульсов: дискретных TIA с полосой пропускания до 8 ГГц позволяют быстро измерять импульсы
• Уменьшение размера системы: варианты без кристалла обеспечивают малый размер и большое количество каналов

Избранные ресурсы

ПРОДУКТЫ

• OPA855-Q1 — Автомобильный усилитель с полосой усиления 8 ГГц, декомпенсированный трансимпедансный усилитель с биполярным входом
• LMh44400 — 240 МГц, несимметричный, трансимпедансный усилитель со встроенным ограничителем и подавлением внешней засветки
• LMh42404-Q1 — Автомобильный четырехканальный трансимпедансный усилитель с дифференциальным выходом и интегрированным мультиплексированием

ИНСТРУМЕНТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

• TIDA-060025 – Базовый проект, максимизирующий трансимпедансную полосу пропускания для лидаров и времяпролетных приложений (ToF)
• TIDA-01187 – Эталонный проект импульсного временипролетного лидара с использованием высокоскоростных преобразователей данных

Сверхбыстрые операционные усилители преодолевают барьер полосы пропускания в 2 ГГц

До сих пор очень быстродействующие операционные усилители (OP AMPS) предлагали максимальную полосу пропускания около гигагерца. Добавление кремниево-германиевого сплава (SiGe) в высокоскоростной биполярный КМОП-процесс привело к созданию семейства операционных усилителей с фиксированным коэффициентом усиления и обратной связью по напряжению, которые изменили все. Новое семейство от Texas Instruments (TI) использует новый метод обратной связи по напряжению для достижения полосы пропускания более 2 ГГц. Другие параметры производительности делают эти операционные усилители подходящими для широкого спектра новых приложений, таких как управление различными емкостными нагрузками, такими как входы для высокоскоростных преобразователей данных.

Используя топологию с обратной связью по напряжению, операционные усилители серии THS430x уменьшают вызывающие ошибки паразитные свойства предыдущих чемпионов скорости — усилителей с обратной связью по току. Поскольку усилитель с обратной связью по току имеет довольно низкий входной импеданс, вход очень чувствителен к емкости и нагружает входные сигналы. Эти характеристики приводят к нелинейным частотным характеристикам и высокому потенциалу колебаний.

Из-за конфигурации с обратной связью по напряжению входное сопротивление новых устройств намного выше, чем у устройств с обратной связью по току, поэтому они не нагружают входной сигнал. Устройства THS430x заявляют о рекордной скорости 2,4 ГГц при коэффициенте усиления 5 на нагрузке 100 Ом. Это реальная полоса пропускания, а не какое-то причудливое произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, которое не является полностью полезной частотной характеристикой. Как и ожидалось, для компонентов с такой широкой полосой пропускания скорость нарастания превышает 2500 В/мкс, а время установления составляет около 1,5 нс.

Эти детали не только очень быстрые, но и тихие. Отнесенный входной шум составляет 1,5 нВ/√Гц. Части имеют низкое общее гармоническое искажение 92 дБн (f = 30 МГц, R _L = 100 Ом) или 75 дБн (f = 100 МГц, R _L = 100 Ом). Пересечение интермодуляции третьего порядка определено на уровне 80 дБн на частоте 170 МГц с размахом выходного сигнала 1 В и питанием 5 В. Это значение уменьшается до 72 дБн на частоте 300 МГц при тех же выходных условиях. Эти характеристики лучше, чем у многих других высокочастотных усилителей на тестовой частоте, которая в три раза выше, чем у большинства других высокопроизводительных быстродействующих операционных усилителей. Характеристики шума превышают требования для 16-битных преобразователей или преобразователей с более высоким разрешением.

Выходной ток ±80 мА необходим для части, которая может работать в системе с низким импедансом (50 Ом) или быть драйвером для входов аналого-цифрового преобразователя или другой системы сбора данных. Семейство имеет ряд фиксированных коэффициентов усиления: от THS4300 (+1) до THS4301 (+2), THS4302 (+5) и THS4303 (+10).

Для сравнения, семейство высокоскоростных усилителей LM6165 от National Semiconductor демонстрирует произведение скорости на мощность 725 МГц GBW (произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, стабильное при коэффициентах усиления до +25 и скорости нарастания 300 В/мин. ). мкс при токе питания всего 5 мА). Эти усилители построены с использованием процесса VIP (вертикально интегрированный PNP) от National, который производит быстродействующие транзисторы PNP, которые являются настоящим дополнением к устройствам NPN.

Intersil-Elantec EL5191C — самый быстрый на сегодняшний день усилитель с обратной связью по току. Самый высокоскоростной вариант в этом новом семействе продуктов имеет полосу пропускания 1 ГГц и скорость нарастания 2800 В/мкс при токе питания всего 9 мА. Усилители Maxim MAX4223/MAX4225/MAX4226 с обратной связью по току оптимизированы для коэффициента усиления с обратной связью +1 (0 дБ) или более и имеют полосу пропускания 3 дБ на частоте 1 ГГц. MAX4224/MAX4227/MAX4228 имеют компенсацию усиления замкнутого контура +2 (6 дБ) или более и имеют полосу пропускания 3 дБ 600 МГц (произведение усиления на ширину полосы 1,2 ГГц).

Новый процесс, новые усилители: Полностью дифференциальные операционные усилители THS430x зависят от нового комплементарного процесса SiGe для их скорости и от высокоточных резисторов и конденсаторов для стабильности и точности. В таблицах 1 и 2 перечислены некоторые активные и пассивные характеристики устройств этого процесса BiCom-III, и они наглядно демонстрируют потенциал дальнейших улучшений в схемах следующего поколения (см. «Процесс BiCOM-III увеличивает скорость в три раза, вдвое уменьшает шум», стр. 46). ) . TI считает, что серия 430x является первой дополняющей группой продуктов SiGe, запущенной в производство.

Конструкция этих очень быстродействующих операционных усилителей требует инновационной топологии схемы и очень быстрых транзисторов. Как процесс BiCom-III, так и схемы требовали новых подходов, потому что ни того, ни другого недостаточно для создания этого набора деталей следующего поколения.

В общем, разработчикам приходилось жертвовать коэффициентом усиления или ограниченными диапазонами стабильности в пользу полосы пропускания, потому что стабильный усилитель с единичным коэффициентом усиления должен иметь достаточный запас по фазе для предотвращения колебаний. Предыдущей альтернативой было использование архитектуры с обратной связью по току для частей с очень высокой пропускной способностью. В то время как TI занимается разработкой высокоскоростных усилителей в течение нескольких лет, последние детали меняют ландшафт высокоскоростных, высокоточных усилителей с низким уровнем шума.

Для создания усилителей нового поколения компания TI разработала новые топологии и свой третий полупроводниковый процесс для высокоскоростных усилителей с 1999 года. Первый процесс TI, BiCom-I, был разработан для источников питания ±15 В. Один из продуктов первого процесса, THS 3001, представляет собой усилитель с токовой обратной связью и малыми искажениями. BiCom-II был следующим поколением. Разработанный для питания ±5 В, он может выдерживать до 15 В. Процесс BiCom-III рассчитан на номинальное рабочее питание от ±1,5 до ±2,5 В или одиночное питание от +3 до +5 В.

Дэйв Уилсон, менеджер по системному проектированию высокоскоростных усилителей, говорит, что в этом процессе TI обогнала других поставщиков. У нескольких компаний есть процессы SiGe, но они не дополняют друг друга. В настоящее время они используют только высокоскоростные устройства NPN в своих процессах SiGe и используют устройства PNP с гораздо более низкой производительностью. Устройства PNP в процессе BiCom-III примерно в три раза быстрее, чем детали в других процессах, включая BiCom-II.

Стабильность прицеливания: Разработка очень быстродействующего операционного усилителя является более сложной задачей, чем просто получение более широкой полосы пропускания и более высоких скоростей нарастания. Одной из проблем является необходимость обеспечения стабильности при любых условиях эксплуатации. Разработчики должны учитывать такие электрические детали, как запас по фазе и компенсация, а также конечное использование. TI не хотела, чтобы внешние узлы обратной связи были доступны, потому что паразитная нагрузка от обратной связи могла сделать систему нестабильной. Из-за этого и задействованных очень высоких частот компания решила упростить применение этой функции усиления, создав семейство компонентов с фиксированным усилением.

На гигагерцовых частотах соединительные провода и контактные площадки объединяются, образуя фильтр нижних частот, который потенциально намного ниже желаемой полосы пропускания частей. Нормальные характеристики импеданса корпуса обусловлены контактными площадками, выводными проводами и корпусом. 0,1 дюйма. длинный провод диаметром 2 мила имеет индуктивность от 2 до 3 нГн, в зависимости от размера петли. Эта индуктивность является частью фильтра нижних частот с сечением pi, состоящего из емкости контактной площадки, индуктивности провода, области соединения выводов, корпуса корпуса и контактной площадки печатной платы. В зависимости от фактических паразитных значений частота спада 3 дБ может быть значительно ниже 1 ГГц.

Чтобы решить эти проблемы, связанные с паразитными параметрами корпуса и стабильностью операционных усилителей, компания TI разработала новую упаковку и схему расположения выводов для усилителей (см. рисунок) . Новая упаковка представляет собой безвыводной MSOP, четырехсторонний пакет с четырьмя контактами на каждой стороне. Штыри сверху и снизу предназначены для подключения питания. Входы сигналов и вход отключения питания находятся справа, а выходы — слева. Этот новый корпус снижает индуктивность соединительных проводов и сводит к минимуму паразитные помехи корпуса за счет размещения четырех соединений на выходе и проводах питания. Эти параллельные выводы уменьшают индуктивность и сопротивление выводов и корпусов в четыре раза.

Разработав новый пакет и сохранив внутреннюю обратную связь, TI создала устройство с гораздо большей стабильностью для упрощения использования в системах. Потенциальные приложения включают высокоскоростные буферы и драйверы для высокоскоростных, высокоточных преобразователей данных и систем DSP. Эти функции требуют низких характеристик искажения и шума компонентов THS430x для 16-битного или более высокого разрешения.

Характеристики скорости и низкого уровня шума должны хорошо работать в системах медицинской визуализации, где требования к точности данных очень высоки. Системы связи могут извлечь выгоду из возможностей устройств, особенно в таких приложениях, как базовые станции и другие функции обработки высокочастотных сигналов. Сочетание скорости и низкого уровня шума открывает множество новых возможностей для этих усилителей.

Одно потенциальное новое применение — каскады ПЧ в коммуникационных приемниках. Раньше разработчикам приходилось использовать усилители ВЧ-типа или разрабатывать специальные каскады ПЧ для приемников с несколькими преобразователями. Этапы ПЧ нуждались в этих специализированных усилителях, потому что они были единственными доступными компонентами с соответствующим коэффициентом усиления и линейностью. Новые усилители открывают возможности для новых архитектур программных радиостанций. Усиливая входные сигналы и направляя их непосредственно в группу быстрых преобразователей, радио на основе DSP может захватывать и демодулировать широкий диапазон диапазонов сигналов и типов модуляции с очень небольшим количеством радиочастотных компонентов.

TI приступает к характеристике операционных усилителей с индуктивной и емкостной нагрузкой для этого приложения. Компания также собирается создать примечания по применению, поскольку это изменение в компонентах изменит архитектуру каскадов ВЧ и ПЧ.