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[参考译文] OPA325:具有差分滤波器的 ADC 缓冲放大器设计

Guru**** 2680595 points

Other Parts Discussed in Thread: OPA375, ADS8866, OPA325, TINA-TI, OPA391, OPA383, OPA2383, OPA2325

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/1590309/opa325-design-of-adc-buffer-amplifier-with-differential-filter

器件型号: OPA325
主题中讨论的其他器件: ADS8866、OPA375、 TINA-TIOPA391OPA383OPA2383OPA2325

目标:使用 ADS8866 测量齐纳二极管的正向电压。

背景:

齐纳二极管在齐纳模式下运行、但定期切换为正向导通。 在这段短时间内、我需要测量正向电压。 齐纳二极管通过几米的导线连接、因此可能需要进行 4 线测量。 当误差为 0.01%(9.25Tau)-><=0.1mV 时、稳定时间应为~10µs。

解决方案:

为此、我选择了 OPA375 用作缓冲放大器、我还需要将 ADC 与负电压隔离。 为此、我在运算放大器的同相输入端有一个 100k Ω 的电阻器(在齐纳模式下限制运算放大器保护二极管电流)。

我从 ADS8866 数据表得出使用 1nF 的 ADC 输入电容。 为了更大限度地减少电荷反冲、我知道需要实现 R_ISO (=R_FLT)、这也有助于在连接的容性负载下稳定运算放大器输出。

这给了我一个 RC 低通、同时我想将稳定时间保持在 0.01%(9.25Tau) 的~10µs。

添加 4 线测量:

至于 4 线测量、我想知道是否可以简单地使用差分滤波器、其负差分对直接连接到阴极(根据我的理解,线路电阻应足够小,以便压降小于 ADS8866 允许的 100mV)。

为了保持共模电容的影响较小、我将其选择为 100 pF (1/10 C_Diff)。

这样可以得到 1.2nF C_Diff Total、在 9.25Tau 条件下、得到的转角频率为 147k Hz(-> Riso = 900 欧姆;分为 2 倍 470 欧姆;这忽略了由 100k Ω 电阻器和运算放大器输入电容形成的输入级 RC 滤波器)。

之后,我使用来自运算放大器稳定性视频系列的双反馈 (R_F >= 100* R_ISO, CF 6..10*(Riso*C_Load/R_F) 进行了 R_ISO 尺寸测量。

结果如下:

OPA325_JT1_Stability.png

 

问题:

  • OPA375 是否适用于该用途? 我还考虑了使用 OPA325、因为相比之下它没有说明:
    •  “(4) 连续施加大于 0.25V 的差分输入电压会导致输入失调电压偏移高于此参数的最大规格。 这种影响的幅度随着环境工作温度升高而增大。“
  • 我假设沿着导线的压降仅为几 mV、那么只缓冲正输入来执行 4 线测量是否可行?
    • 如果没有、原因是什么?
  • 我是否确实必须假设对于高于 100MHz 的高频、增益会再次变为正?
    • 这对我来说似乎很奇怪–这是仿真模型中的错误吗? 当我在 TINA-TI 上对运算放大器的 Aol 进行简单的交流分析时、我也在模型中看到这种行为。
    • 相位裕度是否如此巨大甚至进一步增加? 这似乎也很奇怪、因为我几乎可以选择任何反馈值、总是会得到巨大的相位变化值。
  • 如何将 ADC 处的 RC 滤波器 (1) 与运算放大器输入 (2) 处创建的 RC 滤波器组合在一起?
    • 从我进行的仿真中、我不能假设 (2) 是空载的、因为它与运算放大器反馈环路相互作用。

感谢您的帮助! 如果您有任何建议或疑虑、请随时分享。

谢谢!

此致、

Kai

  • 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。

    Kai

    感谢您发送编修。  我希望我们的团队适当关注您的所有问题、但由于今天有几个问题出现、我希望下周他们能给您回复。  其中一名建模专家将能够解释导致交流响应在较高频率下增加的零点。

     ~放大器的选择、在您的初始问题说明中、当误差为 0.01%(9.25Tau)-><=0.1mV 时、要求的稳定时间应为 Δ t 10µs。  您确实需要解决齐纳二极管的反向问题、使其达到 100uV?  该应用是低侧检测、因此我认为使用零交越失真放大器没有任何优势、但您可能会从偏移较低的器件中受益。  我认为是一个经过封装修整 (e-trim) 与晶圆修整的放大器。  我还认为您的系统需求可能不足以证明 10MHz BW 的合理性。  我们具有 1MHz BW OPA391 的 BW 可能需要关注、甚至是零漂移放大器、例如 OPA383 (2.5MHz OPA383)。

    同样、当齐纳二极管以齐纳模式运行时、您预期的电压电平是多少?  请注意、您存在电流限制、但如果在 VCM 之外扩展、它可能会使输入分离、这可能会导致 VIO 随时间推移而受到影响。  最好在器件选择中更好地理解这一点。

    我的同事会发表更多的评论、并提出更好的建议、所以我会在此稍作停留。   

  • 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 Chuck:

    非常感谢您分享您的想法!

    下个星期是完全没问题的 — 它不是紧急的。

    相关的问题 (您在这里提供了一些好的食物供我思考,我认为需要详细阐述我的想法):

    -输入失调电压并不重要,因为应用只关心相对变化(->根据温度测量压降;我甚至可以校准它)。

    -精度 0.1 - 0.5 mV 将是我的目标,所以我认为,稳定到至少 0.1 mV 应该在 ADC 测量之前实现。

    - BW 可能会更低,而且稳定时间也会增加(即使<=100us 是可以的,但更少会更好)-只是我听说更高的 BW 会给我更少的噪声和更好的精度(但在输入 100k Ohm 可能是主要的噪声源,不管怎么说,是吗?)。

    -零交越失真不是一个必须的总,但这样,我就不必担心它,如果电压上升到 2 V(例如,有多个二极管串联)。  

    - 目前我正在使用 3.3V 电源的 ADC 和运算放大器。 我计划的 ADC 基准电压为 2.5V

    -> 也许我甚至可以从基准提供运算放大器、或者这会降低 ADC 测量结果吗? 这样、我就不需要向 ADC 输入添加电压限制(例如,用于运算放大器电源的 2.4V 齐纳或额外的 LDO)、但可能需要 RRIO。

    -对于 VIO 的痛苦,这确实是一个关键点,因为(相对)精度是我的主要关注点(测量电压随温度和时间的变化)。 运算放大器通常会表现出这一特性吗? 电压电平/齐纳电压应至少在负 20V(首选 30V)下能够耐受。

    谢谢!

    此致、

    Kai

  • 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。

    好的。 我们将在内部讨论、并返回给您。  
    Chuck  

  • 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。

    Kai,

    请在下面查看我的评论:

    问题:

    齐纳二极管在齐纳模式下运行、但定期切换为正向导通。 在这段短时间内、我需要测量正向电压。 齐纳二极管通过几米的导线连接、因此可能需要进行 4 线测量。 当误差为 0.01%(9.25Tau)-><=0.1mV 时、稳定时间应为~10µs。

    100k 反馈电阻器连同 82pF 电容器的时间常数为 8.2us、这大约需要 100us 才能稳定到 0.01%、远高于 10us。

    • OPA375 是否适用于该用途? 我还考虑了使用 OPA325、因为相比之下它没有说明:
      •  “(4) 连续施加大于 0.25V 的差分输入电压会导致输入失调电压偏移高于此参数的最大规格。 这种影响的幅度随着环境工作温度升高而增大。“

    大于 0.25V 的最大差分电压需要长时间连续施加(以月为单位),以导致输入失调电压发生有意义的变化 — 所有线性运算放大器可能都是如此,但对于 OPA2383 等零漂移放大器则更是如此。

    • 我假设沿着导线的压降仅为几 mV、那么只缓冲正输入来执行 4 线测量是否可行?  一种更简单的解决方案是使用差分放大器、如下所示。
      • 如果没有、原因是什么?  
    • 我是否确实必须假设对于高于 100MHz 的高频、增益会再次变为正? 不、您没有。 这很可能是由于模拟器截断错误造成的。
      • 这对我来说似乎很奇怪–这是仿真模型中的错误吗? 当我在 TINA-TI 上对运算放大器的 Aol 进行简单的交流分析时、我也在模型中看到这种行为。
      • 相位裕度是否如此巨大甚至进一步增加? 这似乎也很奇怪、因为我几乎可以选择任何反馈值、总是会得到巨大的相位变化值。 如果没有看到 AOL 和 1/β 图形、我无法对您所参考的具体细节进行评论、但通过查看您的单端配置、我看不到任何可能的问题。
    • 如何将 ADC 处的 RC 滤波器 (1) 与运算放大器输入 (2) 处创建的 RC 滤波器组合在一起?
      • 从我进行的仿真中、我不能假设 (2) 是空载的、因为它与运算放大器反馈环路相互作用。

    下面我建议使用不同的放大器来考虑任何寄生电阻 — 请参阅下面的。

    输入失调电压并不重要、因为应用只关心相对变化(->根据温度测量压降;我甚至可以校准它)。

    -精度 0.1 - 0.5 mV 将是我的目标,所以我认为,稳定到至少 0.1 mV 应该在 ADC 测量之前实现。

    - BW 可能会更低,而且稳定时间也会增加(即使<=100us 是可以的,但更少会更好)-只是我听说更高的 BW 会给我更少的噪声和更好的精度(但在输入 100k Ohm 可能是主要的噪声源,不管怎么说,是吗?)。

    较高的 GBW 意味着更高的 IQ,因此具有更低的宽带噪声频谱密度,但噪声是噪声带宽的平方根函数的函数,这意味着噪声会随带宽的增加而增加 — 请参阅下面的:  https://www.ti.com/video/series/precision-labs/ti-precision-labs-op-amps.html

    -零交越失真不是一个必须的总,但这样,我就不必担心它,如果电压上升到 2 V(例如,有多个二极管串联)。  建议的 OPA2383 或 OPA2325 可以消除此问题。

    - 目前我正在使用 3.3V 电源的 ADC 和运算放大器。 我计划的 ADC 基准电压为 2.5V

    ->  也许我甚至可以从基准提供运算放大器、或者这会降低 ADC 测量结果吗? 这样、我就不需要向 ADC 输入添加电压限制(例如,用于运算放大器电源的 2.4V 齐纳或额外的 LDO)、但可能需要 RRIO。  

    如果您在电源引脚上使用良好的旁路电容器,这应该会起作用 — 我在建议中实现了这一想法。   

    -对于 VIO 的痛苦,这确实是一个关键点,因为(相对)精度是我的主要关注点(测量电压随温度和时间的变化)。 运算放大器通常会表现出这一特性吗?  y ES、所有长时间在非线性区域运行的运算放大器都是如此。

    电压电平/齐纳电压应至少在负 20V(首选 30V)下能够耐受。

    以下设置将电流限制在 1mA 以下(允许的最大 10mA) 和)和 Vdiff 限制在 0.4V(允许轨到轨)-请参阅下文。

    OPA2383 可以自动校正任何失调电压漂移、但由于总输出噪声为 278uVrms、因此不符合 100uV 的精度规格 — 请参阅下文。

    因此、OPA2325 可能是更好的选择、总输出噪声为 13uVrms (78uVpp)、并且稳定时间在 10us 内也很短 — 请参阅下面的。

    为了您方便起见、我随附了 Tina-TI 原理图、您可以将其用于您自己的仿真以优化电路性能。  

    e2e.ti.com/.../OPA2383-ADC-buffer-amplifier.TSC

    e2e.ti.com/.../OPA2325-ADC-buffer-amplifier.TSC

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    尊敬的 Marek:

    非常感谢您的支持和仿真!

    关于运算放大器选择:

    -好吧,所以 OPA375 和 OPA325 是线性运算放大器,因此在长期暴露于差分电压下都表现出 Vos 漂移。 OPA375 的电压规格是特定于该运算放大器的 0.25V、还是这是通用经验法则(也适用于 OPA325)?

    - OPA375 应该不使用,因为它不具有零交叉,正确吗?

    - OPA2325 或 OPA2383 都是可行的。 OPA2325 的曝光时间应该是负值、可以通过对多个样本求平均值来抵消 OPA2383 的噪声、因为如果我正确、噪声将降低 sqrt (N)。

    - GBW — 感谢您指出噪音对 BW 的依赖性。 这不会限制条件。

    关于仿真:

    -很高兴听到这是一些错误的仿真(仿真截断器错误),但我如何能避免得到该错误? 在仿真时、我是否需要更改具体内容、或者如何确定在哪个频率下结果 容易出现误差?

    -对于差分放大器, 与单端版本相比,较低的输入电阻会引入几 100µV 的测量误差,即使只有~Ω 的 20µA。 我需要 100k Ω 电阻器(而不是 10k Ω)、这样这个误差可以忽略不计。 不过、这也会减慢我的稳定时间和输入电容、这也会成为一个问题、对吧? 稳定时间仍然可以接受、但您可能可以建议针对这些问题找到一些解决方案?

    -为了更好地了解您看到的差分放大器的优势:单端版本的缺点是什么,一个应该优选差分放大器?

    在应用背景上、还需要提到一点:两个输入端的电缆长度可能为几米、因此我预计寄生效应会影响读数、如果我只是在负输入端使用 GND 连接、会影响读数。

    再次感谢!

    此致、

    Kai

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    尊敬的 Kai:

    请在下面查看我的内联评论:

    -好吧,所以 OPA375 和 OPA325 是线性运算放大器,因此在长期暴露于差分电压下都表现出 Vos 漂移。 OPA375 的电压规格是特定于该运算放大器的 0.25V、还是这是通用经验法则(也适用于 OPA325)?

    由于长期暴露在大差分输入电压下、所有运算放大器都可能会表现出 Vos 漂移,但零漂移放大器可能会自动校正失调电压漂移 — 这是一般的经验法则。

    - OPA375 应该不使用,因为它不具有零交叉,正确吗?  这个问题与零交叉无关、也与零交叉无关。

    - OPA2325 或 OPA2383 都是可行的。 OPA2325 的曝光时间应该是负值、可以通过对多个样本求平均值来抵消 OPA2383 的噪声、因为如果我正确、噪声将降低 sqrt (N)。  如果暴露于差分输入电压下可以忽略不计、则任何运算放大器都不存在 Vos 偏移的危险。

    - GBW — 感谢您指出噪音对 BW 的依赖性。 这不会限制条件- 较低的噪声带宽将更大程度地减小总噪声。

    关于仿真:

    -很高兴听到这是一些错误的仿真(仿真截断器错误),但我如何能避免得到该错误? 在仿真时、我是否需要更改具体内容、或者如何确定在哪个频率下结果 容易出现误差?  请展示显示误差的仿真结果 — 如果您提到的误差发生在非常高的频率下,则不需要采取任何措施来消除误差-请忽略它。

    -对于差分放大器, 与单端版本相比,较低的输入电阻会引入几 100µV 的测量误差,即使只有~Ω 的 20µA。 我需要 100k Ω 电阻器(而不是 10k Ω)、这样这个误差可以忽略不计。 不过、这也会减慢我的稳定时间和输入电容、这也会成为一个问题、对吧? 稳定时间仍然可以接受、但您可能可以建议针对这些问题找到一些解决方案?

    将电阻器增加到 100k (40nV/rt-Hz) 将使总噪声增加到 32uVrms、但您可以通过将电容器降低到 8.2pF 来保持稳定时间,因此时间常数不会增加 — 请参阅下面的。

    -为了更好地了解您看到的差分放大器的优势:单端版本的缺点是什么,一个应该优选差分放大器?   差分放大器可完全消除 寄生电阻引起的误差、而单端配置可能容易因 温度升高时 IB 增加以及寄生电阻器两端的输出负载电流返回而产生误差。

    在应用背景上、还需要提到一点:两个输入端的电缆长度可能为几米、因此我预计寄生效应会影响读数、如果我只是在负输入端使用 GND 连接、会影响读数。  使用差分放大器的更多原因是输入布线直接从齐纳二极管布线、这样 测量 不受电缆上电流 (Rparasic) 的影响。

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    尊敬的 Marek:

    感谢您的支持和解释!

    我想我已经了解了有关运算放大器选择的所有要点。

    关于仿真增益误差:

    -它可以从上面的模拟原始图片中看到,也可以在我附加的 TINA-TI 中的 AOL 交流分析中看到 ( VC (s )/ VD (s )))。 然后、我是否会忽略穿过 0dB 后出现的所有情况、这是正确的?

    -是否可以只使用一个运算放大器? 我原本想省略 U2、因为我认为将 AINN 持续设置为 100mV 没有好处,因为测量的电压不会接近电源轨,因此输出电源轨限制不会是问题 — 也许我会忽略一些东西?

    (至于 ADC 电压基准、我的意思是使用 2.5V 电压基准的输出为 ADC-REF 引脚供电,并将运算放大器电源引脚连接到同一电压基准。)

    -由于稳定时间是由 8.2pF 的电容而不是 Riso 定义的;我认为 Riso 可以减少,对吧? 但在任何情况下、由于未加载输出电容、您都没有实现多反馈、对吧?

    非常感谢!

    此致、

    Kai

     e2e.ti.com/.../OPA325_5F00_AC_5F00_sboma81b.TSC

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    -它可以从上面的模拟原始图片中看到,也可以在我附加的 TINA-TI 中的 AOL 交流分析中看到 ( VC (s )/ VD (s )))。 然后、我是否会忽略穿过 0dB 后出现的所有情况、这是正确的?

    您的稳定性仿真没有正确完成 — 建议的电路非常稳定,相位裕度为 82 度 — 如下所示。

    -是否也可以仅使用一个运算放大器? 我原本想省略 U2、因为我认为将 AINN 持续设置为 100mV 没有好处,因为测量的电压不会接近电源轨,因此输出电源轨限制不会是问题 — 也许我会忽略一些东西?

    U2 的主要原因是缓冲 Vref、以便精确测量齐纳二极管上小于 100mV 的正向偏置电压。  如果您只担心能够测量 100mV 范围以上的 VZENER_FW、则可以通过将 R3 100k 电阻器接地来省略 U2、从而将输出基准为 0V。  

    (至于 ADC 电压基准、我的意思是使用 2.5V 电压基准的输出为 ADC-REF 引脚供电,并将运算放大器电源引脚连接到同一电压基准。)

    这正是我在上面没有显示 ADS Vref 连接的情况下所做的事情 — 2.5V 基准电压为 OPA325 供电。

    -由于稳定时间是由 8.2pF 的电容而不是 Riso 定义的;我认为 Riso 可以减少,对吧? 但在任何情况下、由于未加载输出电容、您都没有实现多反馈、对吧?

    是的、您可以减小 Riso 电阻器、但这会增加噪声带宽、从而导致总集成噪声 VM1 更高 — 如下所示。

    e2e.ti.com/.../OPA2325-ADC-buffer-amplifier-AC-Stability.TSC

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    尊敬的 Marek:

    感谢您的回答、这真的让人大开眼界。

    我不知道此处使用注入方法进行基于阻抗的稳定性分析失败。 据我所知、这是一种常用于稳定性分析测量的方法、因此我想知道此处不正确的原因是什么。

    -你认为这可能与运算放大器建模有关吗? 否则,我将不得不假设,这种方法也失败在一个真正的测量设置,这让我有点担心(也因为这样我不知道在哪些限制下的方法失败)。 您能分享一些您在这方面的专业知识吗? 这将有很大帮助。

    除此之外、整体解决方案似乎非常好、我期待在工作台上试用。

    感谢滤波器电阻的输入–我将保持原样。

    我还剩下一个问题与同相路径上的 8.2pF 有关:  

    -我本来期望电容将连接到运算放大器输出端。 然而、从交流的角度来看、R4&C2 的 tau 比缓冲器 U2 的交叉频率大得多、我假设交流行为是相同的、对吧?

    您好、

    Kai

  • 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。

    Kai,

    我不确定您所说的使用注入法进行基于阻抗的稳定性分析“是什么意思,因此我不能在此处进行评论 — 请点击以下链接查看稳定性培训材料: https://www.ti.com/video/series/precision-labs/ti-precision-labs-op-amps.html

    稳定性分析有两种主要方法:首先、一种直接方法涉及确定相位裕度(正如我在上面所做的那样,显示 82 度的相位裕度);另一种间接方法涉及在运算放大器的输出端注入电流脉冲并测量小信号过冲百分比(见下文)、其中测量的 2%过冲意味着大约 80 度的相位裕度。

    e2e.ti.com/.../OPA2325-ADC-buffer-amplifier-Transient-Stability.TSC

    就您关于 8.2pF 电容器连接的问题而言、由于 Vref_out 是直流电压、因此可将其视为交流接地。 因此、您可以将其连接到系统接地端或 U2 的输出端。  但是、根据我们前面的讨论、由于您不需要测量低于 100mV 的正向偏置齐纳二极管电压、因此您可以将 R3 和 C2 直接接地、并将 U2 全部消除。

  • 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 Marek:

    感谢您分享这些方法!  

    第一种方法确实是我创建此支持请求之前的起点 — 但是使用第一种方法的仿真未能使用 LTspice 找到工作点(这不是您的问题,但)、这就是我使用之前所述方法(也称为“电压注入方法“)的更通用方法的原因 — 我认为这将产生相同的结果。

    关于方法(如果你感兴趣;-)):

     Vector Network Analyzer(例如 Bode100 - Omicron Labs)使用它进行直流/直流稳压器稳定性分析。 它的工作原理是断开反馈环路并在注入电阻器上注入交流电压。 据我所知、它基于阻抗比、在与负反馈放大器配合使用时可产生“返回比“、该值对应于“环路增益“。  至于理论,我知道它是基于米德尔布鲁克的“额外元素定理“,也可以应用于反馈放大器稳定性分析与“渐近增益模型“。

    如果您或您的任何同事知道此方法及其缺陷(即为什么它在该仿真中不起作用)、那将是非常棒的。

    除了这超出了原来的问题,我真的感谢你的大力支持和耐心! 非常感谢、这解决了我的问题。

    此致、

    Kai

  • 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。

    您所描述的似乎是直接相位裕度 AOL*Beta 方法的导数、 根据电路配置的不同、您可以在不同节点注入交流信号、并使用不同的方程生成 Aol、InvBeta 和 AOL*Beta(环路增益)曲线 — 如下所示。

    此外、还有几种间接方法、包括上面讨论的小信号过冲:

    祝你好运!