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[参考译文] OPA827:OPA827 电荷放大器在大反馈电阻器(约 68MhOm)下达到饱和 — 仅适用于小得多的射频

Guru**** 2680515 points

Other Parts Discussed in Thread: OPA827, OPA828

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/1597933/opa827-opa827-charge-amplifier-saturates-with-large-feedback-resistor-about-68-mhom---works-only-with-much-smaller-rf

器件型号: OPA827
主题中讨论的其他器件: OPA828

您好:

我正在设计基于 OPA827 的低噪声压电传感器前置放大器、第一级是传感器的电荷放大器。

问题摘要:
当我使用预期的大反馈电阻器 (Rf = 65 - 68MhOm、Cf = 2.2nF) 时、电荷放大器的输出会饱和到正轨。
如果我临时将 RF 替换为更小的值(大约 560 Kohm 到 1.2 MhOm)、放大器将正常工作并放大压电信号、但灵敏度会大大降低。

电路说明

OPA827 由+–9V 供电(双电源,在 IC 引脚上经过验证)。

反相配置(电荷放大器):

压电式传感器->串联输入电阻器(100 标称值)->–输入

+IN 连接至模拟地

反馈: RF 和 CF(目标 RF = 68MhOm、CF = 2.2nF -> fc = 1Hz)

使用示波器(×10 探头)直接观察输出。

我随附了原理图以供参考。

我已经过验证/测试的内容

电源:
±9V、直接在 OPA827 电源引脚上测得。 没有缺失或浮动电源轨。

器件运行状况:
OPA827 本身功能正常。 如果 I short -in to out、则输出会立即按照预期变为约 0V。

反馈完整性:
Rf 为正确值(测得的值约为 65 MhOm)、无开路。

试验电路板效应:
最初、我在无焊接试验电路板上测试了电路。
当 Rf 值非常大时、放大器会饱和。
在射频较小(≤1.2MhOm)的情况下、该电路工作正常。

直流行为:
在射频较大的情况下、即使是非常小的直流失调电压或漏电流也可能导致输出达到饱和状态。
在较小的射频下、此效应消失。

第二级隔离:
最初连接了第二个增益级、但它已完全断开以进行调试。
饱和已经在第一个(电荷放大器)级发生。

我当前的理解/问题

我怀疑饱和与直流泄漏、偏置电流或寄生泄漏路径有关、尤其是在电荷放大器配置中使用非常大的反馈电阻时(可能因试验电路板泄漏而加剧)。

但是、我要确认:

RF = 68MhOm 时的 OPA827 是否预计会出现这种行为?

是否有建议的布局或偏置技术来使此类高值反馈电阻器保持稳定?

TI 是否会建议使用不同的方法(例如保护,不同的 CF/RF 比或不同的拓扑)来通过压电传感器实现大约 1Hz 的低频截止频率?

非常感谢提供任何指导或应用手册。

非常感谢。

  • 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:  

    只是为了确认。

    • 您正在寻找 53dB 的增益、如下面的仿真中所示?
    • 我必须对电路进行交流耦合才能工作。 否则、它会饱和到电源轨。 输入源是否有任何直流电位?

    此致、  

    Chris Featherstone

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    您好 Chris、

    感谢您的仿真。

    如果我正确理解您、在您的仿真中— 输入源处没有专门的直流电、也没有任何交流耦合 —电荷放大器的输出进入 正饱和 。 如果是这种情况、那么当输入为纯容性输入且不应用直流时、这种拓扑会让人感到惊讶。

    关于增益:是的、我的目标是 53dB ,因为我需要足够的灵敏度来检测压电元件中非常小的电荷。

    输入源为 A 无源压电传感器  (电容源,电阻非常高)、因此原则上应该有 没有专门的 DC 误差。 然而,在实践中,似乎是这样 剩余电量 特别是 试验电路板测试期间的漏电路径 使电路在使用时极其敏感 RF≈68 MΩ 输出趋于饱和。

    作为一个关于硬件的快速实验、当我减小反馈电阻器时:

    • 一方 RF = 560kΩ 、输出直流失调电压约为 300mV、 并且放大器工作、

    • 一方 Rf = 1.2k MΩ Ω 、输出直流失调电压增加到大约 600mV 、放大器仍在运行。

    这 MΩ 着在 68 μ V 下观察到的饱和主要由泄漏和偏置效应决定、而不是运算放大器本身的基本问题。

    在仿真中、如果您将 RF 从 68 MΩ 降至 0.5 MΩ 至 1.2 μ 范围、则饱和也会消失(出现一些直流失调电压)、从而允许电荷放大器运行 情况下的交流耦合

    我不想补充 电荷放大器输入端的交流耦合 、因为串联耦合电容器将与压电电容形成电容分压器并降低电荷灵敏度。

    此致、

    Konstantin

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    您好:  

    根据电路中的值、目标增益看起来为:

    • 68m/100 = 680,000V/V(或约 116.65dB)

    但是、增益设置得非常高、以至于必须在前端添加一个 1tF 的电容器才能接近它。 遗憾的是、电路增益接近器件的开环增益、这意味着它无法完全达到 116.65dB 的最大值。 如您所见、实际增益约为 113.93dB。

    e2e.ti.com/.../6138.Piezo-Amp.TSC

    信号电平和增益注意事项

    要实现 5V 输出、电路需要放大一个非常小的信号:5V/680,000 = 7.35uV。 不过、OPA828 的失调电压为 75uV、是所需信号的 10 倍。

    压电式传感器的典型信号电平

    通常、压电式传感器输出毫伏范围内的信号。 如果您的传感器相似、则可能不需要如此高的增益。 较小的增益将更合适、因为它与压电传感器的典型输出范围更兼容。
    如果您确实需要 680,000 的增益、您可以考虑如下所示的增益分级。 第一个增益为 1000、第二个增益为 680。 您可以看到我得到了 116.61dB 的完整增益。 仅使用 1 安培就无法实现这一目标。  
    或者、您可以考虑使用下面的应用手册中所示的 JFET 复合电路。  

    此致、  
    Chris Featherstone
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    您好 Chris、

    感谢您花时间运行仿真并分享您的建议。

    在查看您的结果并在我一侧(在硬件和仿真中)进行额外测试后、我得出结论、原型中的主要问题不是开环增益限制、而是高阻抗压电/电荷放大器前端在试验电路板测试期间对漏电流和直流效应的实际灵敏度。

    现在、我在设计中实施了一种更稳健的方法(包括对压电源进行正确建模以及各级之间的交流耦合)、电路的行为符合我的测量结果。

    再次感谢您的帮助和应用手册参考。

    此致、

    Konstantin

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    Konstantin、  

    没问题。 如果我们能够提供进一步的帮助、请告诉我们。  

    此致、  
    Chris Featherstone