V - TI E2E Community

Let’s learn Signal Chain
セッション4 ：オペアンプ性能の理解（後半）
R14
R15
Ver.-2
Ratio-metric Biasing Circuit
R13
A6
REF
C5
R7
C2
Buffer
R8
R3
R4
R11
A1
C4
R1
R9
RG
REF VS+
IN+
A4
R12
R10
INGND
A3
R2
R11
R6
C3
Scaling
R5
ADC
A2
Front-End
Instrumentation Amp
R12
Bridge
Sensor
C1
A5
Buffer
1
1
セッション・インデックス（後半）
S4.1 出力段の性能
（1）ステップ応答
（2）スルーレートとセトリング時間
（3）スルーレートと歪の関係
S4.2 電圧帰還と電流帰還の違い
（1）電圧帰還型
（2）電流帰還型
（3）電圧帰還と電流帰還の比較
S4.3 セトリング時間の実測
（1）エッジシフト法による測定原理
（2）各種オペアンプの実測結果
2
2
出力段の主なスペック
•スルーレート
•セトリング時間
•出力インピーダンス
•出力電圧振幅
•出力電流
電源部
入力段
ゲイン段
出力段
電源部
3
3
S4.1 出力段の性能
（1）ステップ応答
（2）スルーレートとセトリング時間
（3）スルーレートと歪の関係
S4.2 電圧帰還と電流帰還の違い
（1）電圧帰還型
（2）電流帰還型
（3）電圧帰還と電流帰還の比較
S4.3 セトリング時間の実測
（1）エッジシフト法による測定原理
（2）各種オペアンプの実測結果
4
4
出力段：ステップ応答，アンプ出力の追従前
ステップ応答＝パルス性信号に対する応答
SJ点
RI
II
RF
10k
10k
EI
0V
EI 10Vpk
VM ≠ VP
EO
VM
0V
VP 0V
EO
0V
パルス EI が加わると VM が VP より高くなり，
アンプ出力 EO はマイナスの方向に変化を開始する．
この状態ではバーチャル・ショートはブレーク．
5
5
出力段：ステップ応答，アンプ出力の追従後
SJ点
RI
II
IF
RF
10k VM ＝0V
10k
EI
0V
EI 10Vpk
VM = VP
AOL
EO -10V
VM
0V
VP 0V
EO
0V
出力 EO が入力の変化に追いつくと，
-10V
再び II ＝ IF となりバーチャル・ショート
が成立し EO は安定する．
6
6
出力段：ステップ応答の波形写真
入力EI
ここで追従
SJ点
出力EO
7
7
出力段：スルーレートとセトリング時間
規定誤差幅，±0.01％など
テールの長さは位相余裕に依存．よって…
高速スルーレート＝高速セトリングとは限らない
スルーレート
dV/dt
½VCC
EO
or 0V
ΔVO
定格出力振幅
Δt
通常μs
入力EI
tS
tS＝0.01％へのセトリング・タイム
8
8
出力段：スルーレートと歪の関係
オペアンプのピーク出力振幅／周波数で決まる必要なスルーレート（SR）
SR =
∆V
∆t
式4-1
低歪を保障するためのスルーレートは(経験値）…
0Vでの接線
SR = 10 ⋅ 2πfp Vp （V/s）
式4-2
⊿Vが最も高速
Vｐ
⊿V
0V
時間 t
⊿t
9
9
出力段：スルーレート不足による歪の波形写真
低周波でのサイン波形
スルーレートが有限である実際の波形
このアンプは昇りと下りの速さが異なる
高周波での追従遅れ
10
10
S4.1 出力段の性能
（1）ステップ応答
（2）スルーレートとセトリング時間
（3）スルーレートと歪の関係
S4.2 電圧帰還と電流帰還の違い
（1）電圧帰還型
（2）電流帰還型
（3）電圧帰還と電流帰還の比較
4.3 セトリング時間の実測
（1）エッジシフト法による測定原理
（2）各種オペアンプの実測結果
11
11
電圧帰還と電流帰還の違い
高速オペアンプ（50MHz以上）では
電圧帰還型“VF”と電流帰還型“CF”の2種類がある．
プリ・アンプ
VF or CF ?
RI
ビデオ信号など
バッファ・アンプ
VF or CF ?
パイプラインA/D
REF
RF
REFI
VI
N
+ A/D
VI
変換
データ
-
12
12
電圧帰還型：信号増幅と帰還は電圧ベース
DC領域における開ループゲインAOL（DC）と，閉ループ・ゲインACL（DC）の考察．
IE
VP
VC
gm
VE
VI
（VP－VM）
IE＝VE×gm
RT
VO
×1
VC＝IE×RT
VC＝VO
gm＝IE / VE
VM
RI
AOL（DC）の構成．
VO = VE ⋅ gm ⋅ R T
A OL (DC) =
VO
= gm ⋅ R T
VE
II ＝IF
RF
ACL（DC）の構成
A CL (DC) =
AOL＝1×106，RF＝9kΩ，RI＝1kΩなら，
A OL (DC)
1 + A OL (DC) ⋅ β
ここで β =
RI
RI + RF
開ループ・ゲイン
13
IF
1× 10 6
A CL (DC) =
1 + 1× 10 6 × 0.1
= 9.99990000 1
≅ 10
13
電圧帰還型：fP1の位置は内部位相補償回路により最適化
IE
VP
ZT
×1
gm
VE
IE＝VE×gm
VI
RI
VM
A OL (AC) = gm
RT
VC＝IE×ZT
ZT＝RT // CC
RF
ＡOL（DC）
＝gm・RT
（-180°基準）
0
fP1 -3dB
位相
ゲイン
RT
1 + 2πfR T CC
AOL ACL
gm
RI
fP1 = β
ここで β =
2πCC
R I + R F （dB）
0dB
1
1
A CL (AC) ≅ ⋅
β 1 + β 2πfCC
0.1fP1
gm
14
CC
gm＝IE / VE
fP1 以降
VO＝VC
VC
位
- 45 相
- 90
- 135
位相余裕
fP2
fP1
10fP1
fBW＝fTβ
0.1fP2 fP2
10fP2
fT
- 180
14
電圧帰還型：等価回路と実際の回路
RT
ZT = RT // CC
gm =
∆i
∆Ve
Vn
Ve
Vp
Vo
RT
CC
i = Ve×gm
15
15
電流還型：信号増幅は抵抗比で帰還は電流ベース
DC領域における開ループゲインAOL（DC）と，閉ループ・ゲインACL（DC）の考察．
VP
×1
VI
RF＝∞ なら
IE＝VI / RI
IE
RT
電流ミラー
IE＋IF
VO = IE ⋅ R T
A CL (DC) =
1
RT
×
β R T + RF
ここで β =
IF
RF
ACL（DC）の構成
VO
= RT
IE
VC＝IE×RT
VC＝VO
AOL（DC）の構成．
A OL (DC) =
RI
RI + RF
RT＝1×106，RF＝900Ω，RI＝100Ωなら，
1× 10 6
A CL (DC) = 10 ⋅
1× 10 6 + 900
= 9.99100809
≅ 10
開ループ・インピーダンス（DC）
16
VO
×1
IE
VM
RI
VC
VP＝VM
16
電流帰還型：fP_RFの位置を帰還抵抗RFにより決定する
VP
×1
VI
RF＝∞ なら
IE＝VI / RI
RI
ZT
VP＝VM
IE
VC
VO
×1
RT
IE
CC
VC＝IE×RT
VC＝VO
RF
VM
1
fP1 =
2πR T CC
（-180°基準）
0
fP1 -3dB
RT
位相
ゲイン
Z
OL
RT
（dBΩ）
A OL (AC) = Z T =
ACL
1 + 2πfR T CC
1
RI＝∞ RF
fP _ RF =
2πR FCC
（0dB）
fP_RF’
- 90
fP2
- 135
位相余裕
fP_RF
fP_RF 以降
1
1
A CL (AC) ≅ ⋅
β 1 + 2πfR T CC
17
位
- 45 相
RI
β=
RI + RF
0.1fP1
fP1
10fP1
0.1fP2
fP_RF
fP2
10fP2
- 180
17
電流帰還型：等価回路と実際の回路
ZT = RT // CC
電流ミラー
ie
Vp
ie
Vn
Vo
CC
RT
18
18
電圧帰還と電流帰還の比較：ボード線図
電圧帰還型
電流帰還型
19
19
電圧帰還と電流帰還の比較：スルーレート，風説
電流帰還は一般にスルーレート SR が電圧帰還より早いとされるが
ビデオ信号バッファに見られる G＝2 の回路
電源±5V，G=5における比較
THS3001：電流帰還型（CF）
スルーレート：1300V/μs，4V Step
帯域幅：350MHz，at – 3dB
-5V
CF
+5V
OPA843：電圧帰還型（VF）
スルーレート：1000V/μs，2V Step
帯域幅：260MHz，at – 3dB
-5V
代表的スペックでみるとSRは
THS3001（CF）に対し
OPA843（VF）の方が
遅いように思える．
VF
+5V
20
20
電圧帰還と電流帰還の比較：スルーレート，実際
電流帰還型のスルーレートは，出力振幅に依存．
200mV Step
CF
VF
2V Step
CF
VF
21
21
電圧帰還と電流帰還の比較：差動アンプなどの応用面
電流帰還型は入力部が非対称なので差動アンプに向かない．
22
22
S4.1 出力段の性能
（1）ステップ応答
（2）スルーレートとセトリング時間
（3）スルーレートと歪の関係
S4.2 電圧帰還と電流帰還の違い
（1）電圧帰還型
（2）電流帰還型
（3）電圧帰還と電流帰還の比較
S4.3 セトリング時間の実測
（1）エッジシフト法による測定原理
（2）各種オペアンプの実測結果
23
23
エッジシフト法による測定原理：測定システムの概要
タイミング・ジェネレータ
EXCEL
CPLD
変換パルスのエッジをシフト
CSVファイル
試作ボード
REF
REF5025
OPAxxx
DUT
TS5A3159A
評価用ボード
Buf
THS4032
A/D
ADS8422
16Bit, 4Msps
ロジアナ
24
24
エッジシフト法による測定原理：シフトのタイミング
ON
Switch
0
84
170
255
Time Base
2.56us
Edge Shift
1
10ns/Step
Repeat
Conversion
tCONV
250ns
256
Pointer
Decoder
84 , 170
Conversion
Switch Control
8
Clock 100MHz
Time Base
256
Repeat
256
Compare
8 bit
Pointer
256
8
25
25
エッジシフト法による測定原理：エッジ・シフトの実波形
スイッチ制御
ポインタの値に応じて移動
変換パルス
A/D Busy信号
アンプ出力
26
26
各種オペアンプの実測結果：セトリング・タイムの分析-1
ステップ1
全体波形からフラット領域を確認
ステップ2
徐々に拡大し，数LSB分の大きさに調整
OPA1 3 2 ，全体波形
2.5
2.502250
変換データ（V）
2.0
変換データ（V）
OPA1 3 2 平坦部
2.502375
3.0
1.5
1.0
2.502125
2.502000
1LSB
0.5
2.501875
0.0
-0.5
2.501750
0
5
10
15
20
25
時間（μs）
30
35
40
5
10
15
時間（μs）
20
25
27
27
各種オペアンプの実測結果：セトリング・タイムの分析-2
ステップ3
立ち上がり時間（始点）を確認
ステップ4
平坦部分を始点付近で拡大
OPA1 3 2 ，セットリング・タイム
-0.004250
2.502375
-0.004375
2.502250
変換データ（V）
変換データ（V）
OPA132　立ち上がり開始
-0.004500
-0.004625
-0.004750
2.502125
2.502000
±1LSB
2.501875
-0.004875
2.501750
6
6.5
7
7.5
8
8.5
時間（μs）
9
9.5
10
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8 8.9 9
時間（μs）
9.1
9.2
9.3
9.4
1.4μs
＊コツとして，1目盛りが1LSBのサイズになるよう拡大すると分析しやすい
28
28
各種オペアンプの実測結果：ステップ応答の比較
OPA3 7 4 ，全体波形
OPA2 7 7 ，全体波形
3.0
3
2.5
変換データ（V）
2.5
変換データ（V）
2
1.5
1
0.5
0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
0
5
10
15
-0.5
20
0
時間（μs）
0.5
3.0
2.5
2.5
2.0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
2
2.5
2
2.5
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
0
29
1.5
時間（μs）
OPA1 3 2 ，全体波形
3.0
変換データ（V）
変換データ（V）
T LV2 7 7 1 ，全体波形
1
0.5
1
1.5
時間（μs）
2
2.5
-0.5
0
0.5
1
1.5
時間（μs）
29
各種オペアンプの実測結果：製作した測定システムの時間分解能
TLV2771，サンプリング間隔チェック用の部分波形
3.0
変換データ（V）
2.5
2.0
1.5
1.0
50ns
0.5
データ256個の平均値
0.0
-0.5
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
時間（μs）
1
1.05
1.1
1.15
1.2
30
30
セッション4 終わり
お疲れ様でした．
31
31

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