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[参考译文] OPA861:使用 OPA861 设计和调试峰值‐检测和放大器;8ns 脉冲保持电路

Guru**** 2389580 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA860, OPA861, LMH6601, OPA847
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1525077/opa861-designing-and-debugging-a-peak-detect-hold-circuit-for-8-ns-pulses-using-opa861

器件型号:OPA861
主题中讨论的其他器件: LMH6601OPA847、OPA860

工具/软件:

大家好、TI 专家。

我正在设计一种基于光电二极管的峰值检测和保持电路、以便在 10kHz 和 10Hz 两种重复率下捕获超窄光学脉冲(8ns 脉冲宽度)。 我的方框图是:

1.高速光电二极管检测器(反向偏置)
2. TI OPA861 宽带放大器 (1.8GHz GBW) 作为跨阻/前置放大器级
3、无源峰值检测:快速肖特基二极管+保持电容
4.缓冲放大器读出保持电压

我的目标和当前的挑战是:
元件尺寸调整:如何计算输入终端或反馈电阻(如果用作 TIA)、肖特基二极管的结电容和保持电容值的最佳值、以便满足以下条件:
完全充电至真正的 8ns 峰值、在 10Hz 频率下没有明显压降
对于 10kHz 运行、放电和复位速度足够快
保持电容器压降:如何选择 CHOLD 和缓冲器偏置、以便电压在 10Hz 脉冲之间保持 100ms 间隔内且压降最小。
振铃和失真:OPA861 输出显示 8ns 边沿上的振铃。 您建议使用什么布局、补偿或缓冲器网络来清理波形?
调试实践:哪种 PCB 布局指南、光电二极管偏置 TEE 布置和示波器探头技术(探头接地,补偿)将产生最准确的 8ns 峰值测量?
TI 参考:我是否可以遵循任何有关高速峰值检测和保持电路(尤其是光电二极管前端)的 TI 参考设计或应用手册?

我附上了我的详细原理图、PCB 布局屏幕截图和 SPICE 网表。 如对元件选型、计算方法、原理图调整或布局/改进策略提出任何建议、都将不胜感激。

感谢您的帮助!

此致、
CHEN ZHIYU

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    您好 Chen、

     感谢您联系我们、给我们提供应用摘要。  

     方框图中是否表示使用 OPA847 作为 TIA/前置放大器级、然后使用 OPA861 作为 OTA(峰值检测器+保持)、然后使用 LMH6601 作为缓冲放大器?

    1. 元件尺寸调整:如何计算输入终端或反馈电阻(如果用作 TIA)、肖特基二极管的结电容和保持电容值的最佳值
      1. 您的光电二极管电容和估计的输入电流范围是多少? 这将有助于确定 GBW 要求、所需的反馈电容和所需的反馈电阻器。
      2. 对于肖特基二极管、我无法在原理图中找到该值。 我认为这是使用 OPA860 的峰值检测器部分的一部分。 在这种情况下、这些线程对于帮助设计此类应用非常有用
        1. https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1180104/opa860-peak-detection-circuit 
        2. https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/718099/opa860-opa860-sample-hold-circuit
        3. https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/980088/opa615-measuring-peak-value-of-fast-optical-pulse
        4. https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1220628/opa860-design-the-opa860-peak-hold-circuit
      3. 保持电容值: 可以在实验期间进行调优、增加该值会增加保持时间、但失调电压也会增加

    2. 振铃和失真:OPA861 输出显示 8ns 边沿上的振铃。 您建议使用什么布局、补偿或缓冲器网络来清理波形
      1. 通过在探头节点之前使用隔离电阻器检查过孔探头的输出、仔细检查第一级 TIA OPA847 是否没有造成这种情况。 如果它来自 TIA、我们必须调整反馈电容

    3. 调试实践:哪些 PCB 布局指南、光电二极管偏置 TEE 布置和示波器探头技术(探头接地,补偿)将产生最准确的 8ns 峰值测量?
      1. 最重要的布局技术是紧密封装一切、并在输入和输出端实现阻抗匹配。 在 TIA 级、确保切口输入引脚和反馈/输出引脚之间的任何平面层、以更大限度地减少任何寄生。 此外、如果可能、确保二极管尽可能靠近 TIA 输入引脚。
      2. 如果光电二极管相对远离放大器的输入、请尝试在反相引脚处向 TIA 的输入端接地添加一个 1pF 电容。 由于任何与光电二极管隔离的电感、这有助于重新引入电容

    4. TI 参考:我是否可以遵循任何有关高速峰值检测和保持电路(尤其是光电二极管前端)的 TI 参考设计或应用手册?
      1. e2e 线程以上非常适合峰值检测和保持电路。 对于 TIA、以下链接更适合:
        1. https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/posts/transimpedance-amplifiers-what-op-amp-bandwidth-do-i-need-part-i
        2. https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/posts/transimpedance-amplifiers-what-op-amp-bandwidth-do-i-need-part-ii
        3. https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/posts/part-iii-what-op-amp-bandwidth-do-i-need-transimpedance-amplifiers
        4. 我们还有一个新的 TIA 计算器: https://dev.ti.com/gallery/view/TIA/Analog_Circuit_Design_Studio_ 1/ver/1.0.2/

    5. 我认为附件没有通过、您能分享 PCB 布局片段吗?

    谢谢!
    Sima

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    尊敬的 Sima:
    感谢您的详细建议。 我真正希望的是实施一个峰值保持电路、该电路可以捕获 8ns 光脉冲并拉伸波形、以便更轻松地测量。 您能告诉我如何计算关键元件值并调试原理图吗? 如果有用、我可以分享布局片段。

    再次感谢!

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    您好 Chen、

     是的、实现此应用的最佳方法就是方框图中所示的方法:分别是用于光电流到电压转换的 TIA、然后是峰值/保持检测器。  

     布局看起来不错、我没有看到任何问题:U30 (PD) 非常靠近输入、去耦电容器靠近放大器的电源引脚、所有元件紧密封装、平面在重要引脚下被切割。  

      对于 TIA 块: 您的光电二极管电容和估计的输入电流范围是多少? 这将有助于确定 GBW 要求、所需的反馈电容和所需的反馈电阻器。

    谢谢!
    Sima

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    尊敬的 Sima:

    以下是关键光电二极管参数 (T = 22± 3°C):

    • 总电容 Cj (f = 1MHz)

      • VR = 0V:260 pF

      • VR = 5V:4 pF

    • 响应度 Re (VR = 5V)

      • λ= 405nm:0.07mA /mW

      • λ= 650nm:0.35mA

      • λ= 850nm:0.50mA /mW

      • λ= 1064nm:0.20mA /mW

    • 暗电流 ID

      • VR = 0V:0.2pA

      • VR = 5V:70pA

    • 响应时间 Tr (RL = 50Ω、VR = 5V)

      • 5ns

    • 反向击穿电压 VBR (ID = 10µA)

      • 80 V

    • 建议的反向工作电压 VR

      • 0V 至 10V

    如果您需要我计算预期的峰值光电流或任何其他推导值、请告诉我!

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    您好 Chen、

     感谢您提供的信息、这对您很有帮助!

      在 12k Ω 跨阻增益、约 4pF 的 PD 输入电容以及放大器的反向偏置+输入电容且满足二极管的完整响应时间的情况下、则需要约 3.3GHz 的 GBW 放大器。

      是的,确保您的峰值光电流(取决于输入波长)将足够大,可以在放大器的输出端看到。 该值只需比放大器的失调电压和输入偏置电流*反馈电阻大 10 倍。 您可能需要将反馈电阻降低至约 1kOhm 至 5kOhm、这会增加带宽余量。 在 12k Ω 反馈电阻下、将反馈电容 C215 减小至 0.2pF 至 0.3pF 左右。 当反馈电阻为 1k Ω 时、将反馈电容 C215 减小至大约 0.8pF 至 1pF。 将其保持在 1.8pF 不是问题、只会降低总体带宽。  

      您选择的放大器 (3.9GHz 的 OPA847) 可以满足此规格并提供一定的带宽余量。

       我们在此处发布了一款全新的 TIA 计算器: https://dev.ti.com/gallery/view/TIA/TIA_GFN/ver/1.0.4/。 选择 OPA847、目标带宽可以根据 PD 的上升时间计算得出:0.35/5ns = 70MHz。 然后、您可以使用该计算器中的值、该计算器将计算 TIA 块的预期稳定性+噪声。  

      信号 注释 :我认为您的原理图 U30 中的极性可能会切换为指定正 5V-10V 反向偏置的二极管。 请查阅二极管数据表。  

    谢谢您、
    Sima

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    下面是一份草稿、您可以发送回 TI 的 Sima:


    主题:Re:光电二极管偏置和焊盘分配

    您好 Sima、

    再次感谢您的指导。 我仔细检查了我使用的光电二极管(请参阅随附的机械制图)、下面是我如何分配焊盘:

    • 外壳 (大金属焊盘)连接到 AGND(金属外壳/屏蔽层)。

    • 靠近 R81/–5V 的小焊盘 阳极 其中 I bias 通过 R81 在–5V 时。

    • 朝向 U34 输入的小焊盘 阴极 、位于~0V 处、为 TIA 反相节点馈电。

    通过这种布置、PD 会正确反向偏置、其阴极电流会流入 U34 的反馈电阻器。 如果符合您的期望、请告诉我。

    我还根据数据表重新检查了 U30 偏置二极管的极性。 现在所有内容都与您的笔记一致。

    感谢您的确认!

    此致、
    陈志宇

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    您好 Chen、

     很抱歉耽误您的确认时间。 是的、正确! 布局看起来不错。 让我们知道实验室内的实验是否进展顺利。  

    谢谢您、
    Sima