Почему полоса пропускания операционного усилителя уменьшается при понижении температуры??

«Влияние термоциклирования при экстремальных температурах на 8-контактный пластиковый дип-корпус… OP181GP…» Это необычная статья. Вы можете подумать, что основное внимание уделяется скрытым эффектам термоциклирования и последующей эксплуатации. Но нет, это больше связано с работой ОУ промышленного класса при температурах до 90°С и до -185°С. 90°C не так далеко выходит за указанные пределы рабочей температуры от 85°C до -45°C, но -185°C или около 88K выходит за пределы диапазона. 88K — это криогенная температура, при которой жидкий аргон начинает кипеть.

OP181 — это микросхема питания Bi CMOS, которая снята с производства компанией Analog Devices (поэтому, если вы хотите взглянуть на техническое описание, не откладывайте). Он имеет выход «rail-to-rail» и ток питания 4 мкА. Произведение усиления на полосу пропускания составляет 95 кГц со скоростью нарастания 28 В/мс.

Что касается того, почему этот операционный усилитель может потерять десятилетие пропускной способности при работе в луже кипящего аргона, давайте взглянем, по общему признанию, на грубый взгляд. Любой более подробный анализ выходит за рамки имеющейся информации и слишком похож на настоящую работу.

Скорость нарастания является важным ограничителем для этого операционного усилителя. Все тесты в статье проводились с инвертирующим усилителем (резисторы 100 кОм) и синусоидальным входным напряжением 1 В пик. Это тесты больших сигналов, и при таких уровнях сигнала скорость нарастания усилителя будет ограничена для частот выше примерно 4,5 кГц.

Возможные причины потери пропускной способности/скорости нарастания

Сначала нужно посмотреть параметры с наибольшими тепловыми коэффициентами ($\alpha$). Это сразу исключает емкость, поскольку конденсаторы в ИС, особенно те, которые используются для компенсации Миллера, довольно хороши, имея$\alpha$около 50 частей на миллион. При падении температуры на 212 К это всего лишь потеря емкости примерно на 1%. Не о чем беспокоиться.

То, что осталось? Поскольку это BiCMOS и микромощность, будут BJT, CMOS FET и некоторые резисторы с высокими значениями. Температурные коэффициенты в ИС для больших резисторов (сотни кОм) имеют тенденцию быть большими (~ 5000 частей на миллион). крутизна полевого транзистора ($g_ {\text {fs}}$) имеет большую отрицательную зависимость от температуры. Важно, так как$g_ {\text {fs}}$умножает эффект конденсатора обратной связи Миллера ($C_f$). Глядя на упрощенную схему (рис. 32) в таблице данных, мы видим 2 BJT, но в основном CMOS.

Входной каскад представляет собой простой на вид усилитель-дифференциал PNP, а выходной каскад представляет собой усилитель с общим источником класса AB. Работа при низкой температуре уменьшит значение сопротивления коллектора ($R_c$), что приводит к потере усиления во входном каскаде и увеличению$g_ {\text {fs}}$в выходном каскаде, умножив размер$C_f$, в совокупности это уменьшит скорость нарастания. По крайней мере, это гипотеза.

Верна ли гипотеза?

Начиная с ответа для тех из вас, кто не может ждать или просто не хочет читать, да, это похоже на правду. Модель схемы в статье была написана и запущена с параметром temp, установленным на 300K. Затем выходной каскад$g_ {\text {fs}}$и диф усилитель$R_c$значения были изменены для 88K и перезапущены.

Сравнение этих графиков (с Vin 1 кГц и 1 Впик) с графиками из статьи (рис. 9а) показывает близкое сходство. Похоже, что OP181 тянет вниз лучше, чем вверх (что неудивительно), а модель симметрична. На частоте 10 кГц запусков не проводилось, так как скорость нарастания операционного усилителя здесь уже ограничена, а температурные эффекты не столь драматичны.

Анализ

Поскольку мало что известно о деталях схемы, особенно в средней части и источниках тока, этот анализ касается усилителя дифференциала и выходного усилителя и предполагает, что тепловые изменения других битов незначительны. В конце таблицы данных также есть модель SPICE, которая предоставляет хорошую информацию о некоторых величинах деталей и масштабировании.

Усиление каскада дифференциального усилителя будет масштабироваться напрямую с$R_c$(сопротивление коллектора, принятое здесь равным ~500 кОм). Итак, заход$R_c$с температурой уменьшит усиление на ту же величину. Если$R_c$имеет$\alpha$5000 ppm (примерно то, что можно было бы увидеть в резисторе p-well), усиление будет иметь временную зависимость, например:

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

или потеря усиления ~9 дБ при падении температуры на 212К. Усиление было бы довольно нечувствительным к$\beta$и$V_{\text{be}}$изменения, поэтому эти параметры не будут учитываться.

С выходным каскадом все сложнее. Доминирующим фактором здесь должно стать изменение$g_ {\text {fs}}$, который имеет отрицательный$\alpha$. Изменение$g_ {\text {fs}}$будет следовать мобильности, например:

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

Так,$g_ {\text {fs}}$ожидается, что температура возрастет примерно в 6 раз при падении температуры на 212 К. Что это значит для усиления сцены и поул-позиции Миллера? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо уделить некоторое внимание драйверу или интерфейсу между усилителем дифференциала и выходным усилителем. Интерфейс выглядит как обычный стробирующий каскад, питаемый напрямую от усилителя. Это означает, что он имеет высокое выходное сопротивление ($R_{\text{mid}}$) и некоторый выигрыш по напряжению, но ток в интерфейсе не может быть выше, чем у диф-усилителя (~1 мкА). Грубо говоря, крутизна интерфейса ($g_ {\text {mid}}$) будет меньше ~1 мкА/В, а$R_{\text{mid}}$будет больше ~10 МОм. (Обратите внимание, что эти пределы использовались в качестве начальных значений в модели и повторялись для настройки скорости нарастания. Окончательные значения составили 0,4 мкА/В и 60 МОм, что довольно близко к грубым эквивалентам SPICE.)$R_{\text{mid}}$будет синтетическим или активным резистором. Коэффициент усиления по постоянному току интерфейсной схемы в сочетании с выходным усилителем будет равен:

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

с полюсом Миллера в:

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

Это означает, что в 88K$A_{\text{vo}}$увеличивается в 6 или 15 дБ, а$F_m$уменьшится в 6 раз или ~ 2,6 октавы.

Прощальные выстрелы

Анализ выявил две вещи, которые были довольно интересными, хотя, возможно, они должны были быть очевидными.

• Потеря усиления в дифференциальном усилителе была немного более чем компенсирована увеличением усиления в выходном усилителе на частотах ниже$F_m$, но общая полоса усиления по-прежнему была уменьшена примерно на 2 октавы из-за спада$F_m$.

• Slew Rate получает двойной удар. Усиление, потерянное в каскаде дифференциального усилителя, уменьшило скорость нарастания до 1/3 указанной величины. Увеличить в$g_ {\text {fs}}$в выходном усилителе скорость нарастания уменьшена до 4/7 от указанной. Эти эффекты каскадируются, скорость нарастания при 88K в итоге составляет 5,3 В/мс.

Изменить COTS:

Это действительно комично. При поиске на веб-сайте Analog Devices чего-то не относящегося к делу, наткнулся на этот пресс-релиз о COTS . Вот цитата: «Есть основания полагать, что детали коммерческого и промышленного класса ADI рекомендуются третьими сторонами для использования в военных и космических приложениях, параметры которых превышают их технические характеристики». Итак, похоже, что ADI связалась с НАСА.

В этой статье объясняется, что «биполярные транзисторы обычно не работают при таких низких температурах из-за резкого падения плотности носителей».

Теперь, когда вы производите операционный усилитель, он делается на чистом кристалле, а затем упаковывается. Очевидно, что базовая топология операционного усилителя по- прежнему состоит из основных элементов (например, резисторов). Поэтому, если вы посмотрите в таблицу данных любого операционного усилителя, вы увидите, что пропускная способность зависит от набора резисторов. Если физическое состояние резисторов изменится, то изменится и общая полоса пропускания ( прочитайте это ).