Mai 2001 LT1815: 220MHz, 1500V/µs Verstärker spart Platz und Strom

Einführung Der LT1815 ist ein stromsparender, verzerrungsarmer Single-Op-Amp mit einem 220-MHz-Gain-Bandbreitenprodukt und einer Anstiegsrate von 1500 V/µs. Das Gerät arbeitet mit Versorgungsspannungen von ±2V bis ±6V und zieht einen typischen Versorgungsstrom von nur 6.5mA. Der LT1815 kann 100Ω-Lasten mit geringer Verzerrung ansteuern; Typischerweise betragen die Verzerrungsprodukte –67dBc relativ zu einem 5MHz, 2VP-P Träger. Der LT1815 ist in den platzsparenden SOT-23-5- und SOT-23-6-Gehäusen sowie im SO-8-Gehäuse erhältlich. Das 6-adrige SOT-23-Gehäuse verfügt über einen Stromprogrammier-Pin, der es dem Benutzer ermöglicht, den Versorgungsstrom zu senken, um noch mehr Energie zu sparen, während das Gerät mit reduzierter Frequenzleistung aktiv bleibt. Diese Kombination aus hoher Geschwindigkeit und geringem Stromverbrauch sowie die Flexibilität, das eine gegen das andere „on-the-fly“ zu tauschen, macht den LT1815 zu einer nützlichen Komponente in vielen Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen, bei denen der Stromverbrauch minimiert werden muss. Leistungstabelle 1 fasst die Leistung des LT1815 zusammen. Beachten Sie, dass der LT1815, ein Spannungsrückkopplungsverstärker, mit einer Geschwindigkeit von 1500 V/µs oder 670 ps pro Volt schwingt. Eine hohe Anstiegsrate reduziert nicht nur die Einschwingzeit (15 ns für einen 5 V-Schritt zum Einschwingen auf ±50 mV), sondern erweitert auch den effektiven Frequenzbereich des Verstärkers. Die Full-Power-Bandbreite lässt sich aus der Slew-Rate nach folgender Formel berechnen: Bei einer Slew-Rate von 1500V/µs und einer Ausgangsamplitude von ±3V (VP = 3V) ergibt dies eine Full-Power-Bandbreite von 80MHz. Obwohl dies immer noch knapp unter dem 220-MHz-Bandbreitenprodukt mit kleiner Signalverstärkung liegt, reicht es weit in den Bereich vieler Breitbandkommunikations- und digitaler Videosysteme. Tabelle 1. Leistungsmerkmale des LT1815 Parameter Wert Versorgungsstrom 6.5 mA Verstärkung Bandbreite Produkt 220 MHz Anstiegsrate 1500 V/μs Bandbreite bei voller Leistung, VOUT = 6VP-P 80 MHz Klirrfaktor, fC = 5 MHz, AV = 2, VOUT = 2VP-P, RL = 100Ω –67dBc Eingangsrauschspannung 6nV/√Hz Eingangsoffsetspannung (max.) 1.5mV Eingangsrauschstrom 1.3pA/√Hz Eingangsvorspannungsstrom (max.) ±8μA Ausgangsstrom, VOUT = ±3V ±75mA Eingangsgleichtaktbereich ± 4.2 V CMRR 85 dB PSRR 97 dB Alle Spezifikationen sind typisch bei ±5 V, 25 °C, sofern nicht anders angegeben. Eine hohe Flankensteilheit stellt außerdem sicher, dass die Flankensteilheitsbegrenzung über einen weiten Frequenzbereich nicht zu Verzerrungen beiträgt. Das 220-MHz-Verstärkungsbandbreitenprodukt wiederum gewährleistet eine hohe Schleifenverstärkung bei der interessierenden Frequenz. Bei einer Trägerfrequenz von 5 MHz beträgt die Verstärkung der offenen Schleife 44, was die Verzerrung weiter reduziert. Abbildung 1 (untere zwei Kurven) zeigt die Verzerrung gegenüber der Frequenz des LT1815-Verstärkers in einer Konfiguration mit Verstärkung von 2. Abbildung 1. LT1815-Verzerrung im Vergleich zur Frequenz. Programmierbare Stromoption Die bisherige Diskussion konzentrierte sich auf die LT1815-Spezifikationen im Vollgeschwindigkeitsmodus. In den SO-8- und 5-adrigen SOT-23-Gehäusen ist dies der einzige angebotene Modus. Das 6-adrige SOT-23-Gehäuse verfügt jedoch über einen mit EN bezeichneten Stromprogrammierstift, der auf die negative Versorgungsschiene bezogen ist und eine aktive niedrige Polarität hat. Um den Verstärker mit voller Geschwindigkeit (und vollem Versorgungsstrom) zu betreiben, ziehen Sie den EN-Pin über einen Widerstand von 75 Ω oder weniger auf die negative Versorgung. Dies ist der aktivierte Modus, daher der Name des Pins. Wenn der EN-Pin unbeschaltet bleibt oder auf mindestens 2 V über der negativen Versorgungsspannung erzwungen wird, befindet sich der Verstärker im Shutdown-Modus und zieht nur 150 µA Standby-Strom. Um den Versorgungsstrom und die Geschwindigkeit des LT1815 einzustellen oder zu programmieren, schließen Sie einen externen Widerstand (REN) zwischen dem EN-Pin und der negativen Versorgung an, wie in Abbildung 2 gezeigt. Je höher der Wert des Programmierwiderstands, desto niedriger der Versorgungsstrom. Das Produkt der Verstärkungsbandbreite nimmt ebenfalls ab, wenn auch langsamer als der Versorgungsstrom. Daher erhöht sich das Verhältnis von Verstärkungsbandbreitenprodukt zu Versorgungsstrom (eine wichtige Kennzahl für den Vorzug eines Operationsverstärkers) tatsächlich von 33 MHz/mA auf ungefähr 50 MHz/mA für einen 40k-Programmierwiderstand. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen das Produkt des Versorgungsstroms und der Verstärkungsbandbreite gegenüber dem Wert des Programmierwiderstands, sodass der Benutzer den optimalen Kompromiss für die Anwendung auswählen kann. Die oberen beiden Kurven in Abbildung 1 zeigen die Verzerrung gegenüber der Frequenz mit einem 40k-Programmierwiderstand (1.2 mA Versorgungsstrom). Abbildung 2. Programmierwiderstand zwischen EN und V–. Abbildung 3. Versorgungsstrom vs. REN-Programmierwiderstand. Abbildung 4. Produkt der Verstärkungsbandbreite im Vergleich zum REN-Programmierwiderstand. In gewisser Weise verwandelt die programmierbare Stromoption den LT1815-Verstärker in eine Verstärkerfamilie, die jeweils an einem anderen Punkt im Kompromiss zwischen Leistung und Versorgungsstrom stehen. Abbildung 5 zeigt die Verzerrung gegenüber dem Versorgungsstrom, eine dieser Kompromisskurven. Die Punkte stellen Datenpunkte für einige andere Verstärker von Linear Technology dar, während die Kurve den kontinuierlichen Satz von Datenpunkten darstellt, die der LT1815 und ein gut ausgewählter Programmierwiderstand bieten können. Obwohl jeder Operationsverstärker anders ist und seine eigenen einzigartigen Vorteile bietet, bietet der LT1815 tatsächlich eine geringere Verzerrung für einen bestimmten Versorgungsstrom als viele andere Operationsverstärker. Abbildung 5. Verzerrung vs. Versorgungsstrom. Auf Wunsch kann der Benutzer mithilfe verschiedener Kombinationen von Open-Drain-Logik dynamisch zwischen Vollgeschwindigkeit, Herunterfahren und einem oder mehreren Niedrigleistungsmodi umschalten, wie in Abbildung 6 gezeigt. Beispielsweise kann ein Kommunikationssystem, das den LT1815 verwendet, seinen Dynamikbereich je nach auf Rauschen und Verzerrungen im Empfangs- oder Sendekanal und verbrauchen dabei nie mehr Strom als nötig. Abbildung 6. Umschalten des LT1815 zwischen High-Speed-Modus und mehreren Low-Power-Modi. Schaltungsdesign Abbildung 1815 zeigt einen vereinfachten Schaltplan des LT7. Beide Eingänge sind hochohmig, was den Verstärker als Spannungsrückkopplungstopologie klassifiziert. Komplementäre NPN- und PNP-Emitter-Folger Q1–Q8 puffern jeden Eingang und präsentieren das Differenzeingangssignal über den internen Widerstand R1. Der Eingangsgleichtaktbereich erstreckt sich von jeder Versorgung auf typischerweise 0.8 V und wird durch eine VBE von Q10/Q14 plus eine VSAT von Q5/Q6 begrenzt. Die NPN- und PNP-Stromspiegel Q10–Q11 und Q14–Q15 spiegeln den durch R1 erzeugten Strom in den hochohmigen Knoten. Die Kaskodenvorrichtungen Q9 und Q13 verbessern die Ausgangsimpedanz des Spiegels. Abbildung 7. Vereinfachtes Schema des LT1815. Der Widerstand R1, die Transkonduktanzen von Q5–Q8 und der Kompensationskondensator C1 stellen das 220-MHz-Verstärkungsbandbreitenprodukt des Verstärkers ein. Das RC-, CC-Netzwerk zwischen dem hochohmigen Knoten und dem Ausgang bietet zusätzliche Kompensation, wenn der Ausgang eine kapazitive Last ansteuert. Der über R1 erzeugte Strom dividiert durch den Kondensator C1 bestimmt die Anstiegsgeschwindigkeit. Beachten Sie, dass dieser Strom und damit die Anstiegsgeschwindigkeit proportional zur Größe des Eingangsschritts ist. Der Eingangsschritt ist gleich dem Ausgangsschritt dividiert durch die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises. Die höchsten Anstiegsgeschwindigkeiten werden daher in den Konfigurationen mit der niedrigsten Verstärkung erhalten. Das Datenblatt des LT1815 gibt die Anstiegsrate von 1500 V/µs bei einer invertierenden Verstärkung von -1 an, was einer nicht invertierenden Verstärkung von 2 entspricht. Die Anstiegsrate ist in einer nicht invertierenden Konfiguration mit Verstärkungsfaktor Eins sogar noch höher. Der am Eingangswiderstand erzeugte interne Strom kann viel höher sein als der Ruhestrom (bis zu 80 mA). Im normalen transienten Regelbetrieb stellt dies kein Problem dar, da die Rückkopplung nach wenigen Nanosekunden das differenzielle Eingangssignal wieder auf Null bringt. Dauerhafte (d. h. offene) Differenzeingangsspannungen können jedoch zu einer übermäßigen Verlustleistung führen; daher sollte dieser Verstärker nicht als Komparator verwendet werden. Die Ausgangsstufe puffert den hochohmigen Knoten von der Last, indem sie eine Stromverstärkung bereitstellt. Die Emitterfolger Q17–Q20 liefern eine Stromverstärkung gleich BetaNPN × BetaPNP, aber die effektive Stromverstärkung wird durch die dynamische Basisstromkompensation von Q24–Q26 und Q21–Q23 stark verbessert. Q24 misst einen Bruchteil des Ausgangsstroms, der durch Q19 fließt; Spiegel Q25–Q26 injiziert den entsprechenden Strom zurück in die Basis von Q19. Diese signalabhängige Verstärkung verbessert die Linearität des Verstärkers, indem die Menge des für einen gegebenen Ausgangsstrom erforderlichen differentiellen Eingangssignals reduziert wird. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die Ausgabegeräte kleiner sein können, was bei einer gegebenen Verstärkergeschwindigkeit weniger Ruhestrom erfordert. Der interne Referenzstrom IREF fließt in den Stromspiegel, der von Q29, Q30, Schottky-Dioden D1 und D2 und Widerständen R2 und R3 gebildet wird. Wenn EN mit V– kurzgeschlossen wird, beträgt das Spiegelverhältnis eins und alle Vorspannungsströme im Verstärker sind nominal. Ein zwischen EN und der negativen Versorgung angeschlossener externer Widerstand verringert das Spiegelverhältnis und damit den gesamten Versorgungsstrom des Verstärkers. Wenn EN nicht angeschlossen oder hochgezogen wird, wird die Vorspannung zum Verstärker abgeschaltet und es bleiben nur die 150 µA Standby-Strom übrig. Fazit Der Verstärker LT1815 bietet eine hervorragende Kombination aus niedrigem Versorgungsstrom und hoher Bandbreite für kleine und große Signale. Die geringe Verzerrung des Verstärkers bei hohen Frequenzen ist ein großes Plus für Signalkonditionierungsanwendungen. Die programmierbare Stromoption bietet weitere Flexibilität zur dynamischen Leistungsoptimierung in Systemen mit geringem Stromverbrauch.

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