特征

•傳播延遲：1.9ns

•帶寬：

—OTA:710MHz

—比較器：730MHz

•低輸入偏置電流：±1μA

•采樣和保持開關瞬態：±5mV

•采樣保持饋通抑制：100dB

•充電注入：40fC

•保持命令延遲時間：2.5ns

•TTL/CMOS保持控制

應用

•廣播/高清電視設備

•電信設備

•高速數據采集

•CAD監視器/CCD圖像處理

•納秒脈沖積分器/峰值檢測器

•脈沖編碼調制器/解調器

•完成視頻直流電平恢復

•采樣保持放大器

•SHC615升級

說明

OPA615是一個完整的子系統，用于非常快速和精確的直流恢復、偏置箝位和寬帶放大器或緩沖器的低頻嗡嗡聲抑制。雖然它被設計用來穩定視頻信號的性能，但它也可以用作采樣保持放大器、高速積分器或納秒脈沖峰值檢測器。該器件具有寬帶運算跨導放大器（OTA），具有高阻抗共源共柵電流源輸出和快速精確的采樣比較器，共同為高速應用樹立了新的標準。OTA和采樣比較器可以作為獨立電路使用，也可以組合成更復雜的信號處理級。自偏壓雙極性OTA可以看作是一種理想的電壓控制電流源，并針對低輸入偏置電流進行了優化。采樣比較器有兩個相同的高阻抗輸入端和一個針對低輸出偏置電流和偏置電壓而優化的電流源輸出端；它可以在幾納秒內由TTL兼容的開關級控制。OTA和采樣比較器的跨導可以通過外部電阻進行調節，從而使帶寬、靜態電流和增益的權衡得到優化。

OPA615有SO-14表面貼裝和MSOP-10封裝。

方塊圖

引腳配置

典型特征

TA=+25°C，IQ=13mA，除非另有說明。

OTA

SOTA （采樣運算跨導放大器）

性能討論

OPA615包含一個寬帶運算跨導放大器（OTA）和一個快速采樣比較器（SOTA），它代表了一個完整的子系統，用于非常快速和精確的直流恢復、偏移箝位和對GND或可調參考電壓的校正，以及寬帶運算放大器或緩沖放大器的低頻嗡嗡聲抑制。

雖然該集成電路被設計用來改善或穩定復雜的寬帶視頻信號的性能，但它也可以用作采樣保持放大器、高速積分器、納秒脈沖峰值檢測器或相關雙采樣系統的一部分。寬帶運算跨導放大器（OTA）具有高阻抗共柵電流源輸出和快速精確的采樣比較器，為高速采樣應用提供了新的標準。

OTA和采樣比較器都可以作為獨立電路使用，或者組合起來創建更復雜的信號處理級，例如采樣和保持放大器。OPA615簡化了輸入放大器、專業廣播設備、高分辨率CAD監視器和信息終端中的箝位或直流恢復級以及納秒脈沖能量和峰值的信號處理級的設計。該裝置還簡化了CCD傳感器后面或模數轉換器前面的高速數據采集系統的設計。

SO-14封裝上的外部電阻RQ允許用戶設置靜態電流。RQ從引腳1（IQ調整）連接到–VCC。它決定了OTA部分的工作電流，控制OTA的帶寬和交流行為以及跨導。

除了靜態電流設置功能外，與絕對溫度成比例（PTAT）的電源電流控制將增加靜態電流與溫度的關系。這種變化使OTA和比較器的跨導（gm）相對于溫度保持相對恒定。規格表中列出的電路參數是在RQ設置為300Ω的情況下測量的，在13mA下提供標稱靜態電流。在靜態電路中不需要使用r300Ω的電流，而在這種情況下，不需要始終使用電流r300。

操作跨導

放大器（OTA）部分和概述

章節和概述

OTA部分的符號與雙極晶體管的符號相似，并且自偏壓OTA可以看作是準理想晶體管或壓控電流源。用于OTA的應用電路的外觀和操作非常類似于晶體管電路雙極晶體管也是一個電壓控制的電流源。與晶體管一樣，它有三個端子：一個高阻抗輸入（基極），一個為0.3μa的低輸入偏置電流而優化的輸入/輸出（發射極）和高阻抗電流輸出（集電極）。

OTA由一個互補緩沖放大器和一個后續的互補電流鏡組成。緩沖放大器采用達林頓輸出級，電流鏡具有級聯輸出。這種共源共柵電路的加入將電流源輸出電阻提高到1.2MΩ。此功能提高了OTA線性度和驅動能力。任何雙極輸入電壓在高阻抗基地有相同的極性和信號電平在低阻抗緩沖器或發射極輸出。對于開環圖，發射極連接到GND；集電極電流由基極和發射極之間的電壓乘以跨導來確定。在應用電路中（圖36b），發射器和GND之間的電阻RE用于設置OTA傳輸特性。

以下公式描述了最重要的關系。re是緩沖放大器（發射器）的輸出阻抗或OTA跨導的倒數。在±5mA以上，集電極電流IC將略小于公式所示值。

RE電阻器可由相對較大的電容器旁路，以保持較高的交流增益。RE和這個大電容器的并聯組合形成了一個高通濾波器，提高了高頻增益。其他在某些情況下，可能需要RC補償網絡與RE并聯工作，以優化高頻響應。在發射端測得的大信號帶寬（VO=1.4VPP）達到770MHz。集電極的頻率響應與集電極與接地之間的電阻值直接相關；它隨著電阻值的增加而減小，這是由于OTA C輸出電容形成的低通濾波器。

圖35顯示了OPA615 OTA的簡化框圖。發射極和集電極輸出都提供了±20mA的驅動能力，用于驅動低阻抗負載。發射極輸出不受電流限制或保護。應避免對地短路，但不太可能造成永久性損壞。

雖然OTA功能和標記看起來與晶體管相似，但它提供了本質上的區別和改進：1）對于正的B-to-E輸入電壓，集電極電流從C端子流出；對于負電壓，集電極電流流入C端子；2） 公共發射極放大器在非反相模式下工作，而公共基極在反相模式下工作；3）OTA的線性度遠高于雙極晶體管；4）跨導可通過外部電阻器調節；5）由于PTAT偏壓特性，靜態電流增加，如典型性能曲線所示隨溫度變化，并保持交流性能恒定；6）OTA為自偏壓雙極性；7）零差輸入電壓下，輸出電流約為零。以零為中心的交流輸入產生以零為中心的輸出電流。

基本應用電路

大多數用于OTA部分的應用電路由一些基本類型組成，這些類型通過類比離散晶體管電路得到了最好的理解。正如晶體管有三種基本工作模式：共發射極、公共基極和公共集電極，OTA也有三種等效的工作模式：com  mon-E、common-B和common-C（見圖36、圖37和圖38）。圖36顯示了作為公共發射極晶體管放大器連接的OTA。輸入和輸出可接地參考，無任何偏壓。放大器是不可逆的，因為從發射極流出的電流也會從集電極流出，這是圖35所示的電流鏡的結果。

圖37顯示了公共C放大器。它構成了一個低失調電壓的開環緩沖器。其增益約為1，并隨負載而變化。

圖38顯示了公共B放大器。這種配置產生一個反向增益，輸入是低阻抗的。當需要高阻抗輸入時，可以通過串聯插入一個緩沖放大器（如BUF602）來創建。

采樣比較器

OPA615采樣比較器具有非常短的開關（2.5ns）傳播延遲，并采用了一種新的開關電路結構，以獲得優異的速度和精度。

它提供高阻抗逆變和非逆變模擬輸入，高阻抗電流源輸出和TTLCOMOS兼容的保持控制輸入。

采樣比較器由運算跨導放大器（OTA）、緩沖放大器和后續開關電路組成。這種組合隨后被稱為采樣操作跨導放大器（SOTA）。OTA和緩沖放大器直接連接在緩沖器輸出端，以提供兩個相同的高阻抗輸入和高開環跨導。即使是很小的差分輸入電壓乘以高跨導也會導致輸出電流為正或負，這取決于輸入極性。這種特性類似于傳統比較器的低或高狀態。該電流源輸出具有高輸出阻抗、輸出偏置電流補償的特點，并針對直流恢復、納秒積分器、峰值檢波器和S/H電路中的電容器充電進行了優化。典型的比較器輸出電流為±5mA，在采樣模式下，輸出偏置電流最小化至典型的±10μA。

這種創新的電路實現了代表開環設計的高轉換率。此外，保持或存儲電容器的采集轉換電流高于標準二極管電橋和開關配置，消除了最大采樣率和輸入頻率限制的主要因素。

OPA615中的開關電路使用電流控制（相對于電壓開關）來提高開關和模擬部分之間的隔離。這種設計使得對模擬輸入信號的孔徑時間敏感度較低，降低了電源和模擬開關噪聲。保持峰值開關電荷注入的樣品為40fC。

開關電荷輸出的電流源處電容器上感應的附加偏移電壓或開關瞬態可通過以下公式確定：

開關級輸入對保持控制命令的低轉換率性能不敏感，并與TTL/CMOS邏輯電平兼容。在TTL邏輯高的情況下，比較器處于活動狀態，比較兩個輸入電壓并相應地改變輸出電流。在TTL邏輯低，比較器輸出被關閉，顯示出對保持電容器的非常高的阻抗。

申請信息

OPA615的工作電源為±5V（最大±6.2V）。絕對最大值為±6.5V。不要試圖在較大的電源電壓下操作，否則可能會造成永久性損壞。

基本連接

圖39顯示了操作所需的基本連接。這些連接未在后續電路圖中顯示。

電源旁路電容器應盡可能靠近設備引腳。固體鉭電容器通常是最好的。有關布局的進一步建議，請參閱應用程序討論末尾的Board Layout。

直流恢復系統

使用圖615和圖41恢復兩個系統。圖41實現了作為單位增益放大器的直流恢復功能。從它的名字可以預期，這個直流恢復電路不提供任何放大。

在需要放大的應用中，考慮使用圖40所示的電路設計。

為了使這兩個電路中的任何一個正常工作，源阻抗需要很低，例如由閉環放大器或緩沖區。考慮圖42所示的視頻輸入信號和圖40所示的完整直流恢復系統。該信號由OPA615的OTA段放大，增益為：

通過在適當的位置對輸出信號進行采樣，SOTA部分完成直流恢復時間。那個然后將信號的采樣部分與SOTA（引腳10）的非反相輸入端或圖40中的接地上出現的參考電壓進行比較。

當SOTA采樣時，它根據采樣的輸出信號電平對CHOLD電容器進行充電或放電。適當定時的細節如圖43所示。

箝位視頻/射頻放大器

圖44顯示了前置放大器和箝位電路的另一個電路示例。前置放大器使用寬帶低噪聲OPA656，同樣以+2V/V的增益配置。這里，OPA656的典型帶寬為200MHz，穩定時間約為21ns（0.02%），并提供低偏置電流JFET輸入級。

視頻信號通過電容器CB，阻斷直流分量。為了將直流電平恢復到所需的基線，使用OPA615。逆變輸入（引腳11）連接到參考電壓。在鉗位脈沖的高時間，開關比較器（SOTA）將比較運算放大器的輸出與參考電平。這些管腳之間的任何電壓差都會導致輸出電流對保持電容器CHOLD進行充電或放電。這種電荷在電容器上產生一個電壓，由OTA.倍增通過跨導，電壓將在OTA的集電極C端產生電流。該電流將使OPA656電平偏移至其輸出電壓等于參考電壓的點。這種電平轉換也會關閉控制回路。由于有緩沖區，通過CHOLD的電壓保持恒定，并在鉗位脈沖關閉時保持基線校正。

外部電容器（CHOLD）具有廣泛的靈活性。通過選擇較小的值，電路可以在短的箝位周期內進行優化，或者在低下垂率下使用高值。該電路的另一個優點是，開關比較器輸出端的小鉗位峰值被集成，并且不會導致信號路徑中的故障。

采樣保持放大器

OPA615的控制傳輸延遲為2.5ns，帶寬為730MHz，可用于高速采樣保持放大器。圖45說明了這種配置。

為了說明如何在圖45電路中實現數字化，圖46顯示了以1MHz的速率采樣的100kHz正弦波。這里使用的輸出信號是驅動50Ω負載的IOUT輸出。

ns脈沖積分器

使用OPA615的ns脈沖積分器（如圖47所示）利用快速比較器及其電流模式輸出。把保持控制高，窄脈沖充電電容器，增加平均輸出電壓。為了使逆變輸入的紋波最小，電容電荷最大化，在反饋路徑中采用了T網絡。

快脈沖峰值檢波器

可以設計一個類似于圖47所示的電路（ns脈沖的積分器）來檢測和隔離正脈沖和負脈沖。如圖48所示，該電路使用OPA615和BUF602。該電路利用二極管將正脈沖與負脈沖隔離，并對不同的電容器充電。

快速鎖相環相位檢測器

圖49顯示了用于快速鎖相環系統的相位檢測器的電路。作為一個參考脈沖，比較器在這個脈沖串中作為一個參考脈沖。這個電壓然后由OTA緩沖，并饋送到VCO。

相關雙采樣器

噪聲是CCD系統分辨率的限制因素，其中kT/C噪聲占主導地位（見圖51）。為了減少這種噪聲，成像系統使用了一種稱為相關雙采樣器（CDS）的電路。其名稱來源于CCD電荷信號的雙采樣技術。使用兩個OPA615s和一個OPA694的CDS如圖50所示。第一個樣本（S1）在復位周期結束時采集。當復位開關再次打開時，有效噪聲帶寬因開關RON和ROFF電阻的較大差異而變化。這種差異導致主要的kT/C噪聲基本上在最后一點凍結。

另一個樣本（S2）在信號的視頻部分期間進行。理想情況下，兩個樣品的差別僅在于對應于傳輸電荷信號的電壓。這是視頻電平減去噪聲（∆V）。

CDS功能將消除kT/C噪聲以及大部分1/f和白噪聲。

圖52是CDS電路的框圖。兩個采樣保持放大器和一個差分放大器構成相關雙采樣器。

來自CCD的信號被應用于這兩個采樣保持放大器，其輸出連接到差分放大器。時序圖闡明了操作（見圖52）。在時刻t1，采樣保持（S/H1）進入保持模式，對包括噪聲的復位電平進行采樣。該電壓（VRESET）被應用于差分放大器的非反轉輸入。在時間t2，采樣保持（S/H2）將對視頻電平進行采樣，即VRESET–VVIDEO。差分放大器的輸出電壓由公式VOUT=VIN+–VIN-。復位電壓樣本中含有kT/C噪聲，通過差分放大器的減法消除。

雙采樣技術也降低了白噪聲。白噪聲是復位電壓（VRESET）和視頻幅度（VRESET–VVIDEO）的一部分。在假設第二個樣本的噪聲與第一個樣本的噪聲沒有變化的情況下，噪聲放大率為緯度是相同的，并且在時間上是相關的。因此，CDS功能可以降低噪聲。

電路板布局指南

要獲得最佳的性能與高頻放大器像OPA615需要仔細注意印刷電路板（PCB）布局寄生和外部元件類型。優化性能的建議包括：

a） 將所有信號輸入/輸出引腳對任何交流接地的寄生電容降至最低。輸出端和逆變輸入端的寄生電容會導致不穩定；在非逆變輸入端，寄生電容會與源端阻抗發生反應，導致無意的帶寬限制。為了減少不必要的電容，信號I/O引腳周圍的所有地面和電源平面上都應該打開一個窗口。否則，地面和動力飛機應該在其他地方保持完整。

b） 將電源引腳與高頻0.1μF去耦電容器之間的距離（<0.25“）減至最小。在設備引腳處，接地和電源平面布局不應靠近信號輸入/輸出引腳。避免狹窄的電源和接地痕跡，以盡量減少引腳和去耦電容器之間的電感。電源連接應始終與這些電容器斷開。兩個電源之間的可選電源去耦電容器（用于雙極操作）將改善二次諧波失真性能。主電源引腳上還應使用更大（2.2μF至6.8μF）去耦電容器，在較低頻率下有效。這些可以放置在離設備稍遠的地方，并且可以在PCB的相同區域中的多個設備之間共享。

c） 仔細選擇和放置外部組件將保持OPA615的高頻性能。電阻器應為非常低的電抗類型。表面貼裝電阻工作最好，并允許更緊湊的整體布局。金屬膜和碳組成，軸向引線電阻也能提供良好的高頻表演。再一次，使這些引線和PCB跟蹤長度盡可能短。切勿在高頻應用中使用線繞式電阻。其他網絡元件，如非轉換輸入端接電阻器，也應放在靠近封裝的地方。

d） 與板上其他寬帶設備的連接可以通過短的直接記錄道或通過板載傳輸線進行。對于短連接，將跟蹤和到下一個設備的輸入視為集中電容負載。應使用相對較寬的跡線（50至100 mils），最好在其周圍打開地面和動力飛機。

e） 不建議將OPA615這樣的高速零件套入。插座引入的額外引線長度和管腳間電容會產生非常麻煩的寄生網絡，幾乎不可能實現平滑、穩定的頻率響應。將OPA615直接焊接到PCB上可獲得最佳效果。

輸入和ESD保護

OPA615是使用非常高速，復雜的雙極工藝制造的。對于這些非常小的幾何器件，內部結擊穿電壓相對較低。這些故障反映在絕對最大額定值表中，其中報告了絕對最大±6.5V電源。所有設備引腳都有有限的ESD保護，使用interna二極管供電，如圖53所示。

這些二極管還提供適度的保護，以輸入高于電源的過驅動電壓。保護二極管通常可支持30mA連續電流。如果可能有更高的電流（例如，在有±15V電源部件驅動至OPA615的系統中），應在兩個輸入端添加限流串聯電阻器。將這些電阻值盡可能低，因為高值會降低噪聲性能和頻率響應。

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