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[参考译文] LMH6704:高速 TIA 中的 LMH6704(超越 CMIR 行为)和 OPA277 失调电压注入下冲

Guru**** 2782445 points

Other Parts Discussed in Thread: OPA277, LMH6704, OPA855

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/1604386/lmh6704-lmh6704-beyond-cmir-behavior-and-opa277-offset-injection-undershoot-in-high-speed-tia

器件型号: LMH6704
主题中讨论的其他器件: OPA277OPA855

您好:

我想了解两个 TI 运算放大器 (LMH6704 和 OPA277) 以及我观察到的一些行为。 有两个主要问题。

通用系统/测量信息
-电源:±5 V
- TIA 输入信号:高斯电流脉冲,上升时间为 1.6ns
- TIA 输出: 5 V 幅度的大脉冲
-目的:使用外部运算放大器对 TIA 输入施加直流失调电压(偏置/基准电平)

1) LMH6704:在超出 CMIR 条件下运行时的行为和降噪

1-1. 配置
- LMH6704 用作单位增益缓冲器(电压跟随器)。
-同相输入:使用 20 千欧电位计调整直流输入电压。
-输出:连接到 TIA 输入端(或 TIA 输入失调注入节点)以应用直流失调电压。

image.png

1-2. 观察到的行为
-从数据表中、我了解共模输入范围 (CMIR) 受到限制(使用±5V 电源时约为±2V)。
-在 CMIR 内, Vout 正常跟踪 Vin。
-当我在 CMIR 之外应用负输入时,输出不再跟踪输入。 例如:
 Vin =−3.0V→Vout≈−2.4V
 尽管直流输出电平本身是稳定的、但输出显示为“压缩“(幅度减小)。

1-3. 噪声/FFT 结果
-我以 0.2V 的步长将 Vin 从−2.0V 扫描到−3.4V、并测量了 LMH6704 输出噪声、同时检查了 FFT。
-我观察到,当输入超过 CMIR 时,噪音会显著降低。
 (随附:uVrms 表和 FFT 图)

VIN 输出电压 噪声
–3.5V 3.0V 63uVrms
3.0V –2.4V 72.568uVrms
–2.5V –2.2V 106.801uVrms
–2.0V –2.0V 367.208uVrms

image.png

 

1-4. 问题
1) 如果 LMH6704 输入引脚电压保持在电源轨范围内、并且输出保持在输出摆幅范围内、但输入共模超出 CMIR、是否可以(建议或不建议)使用此配置来生成直流偏移? TI 是否有关于这方面的任何指导?
2) 当超出 CMIR 运行时、什么内部机制会导致“压缩“行为 (Vout 不遵循 Vin)?
3) 为什么测量的噪声在 CMIR 之外会降低?

2) OPA277:施加直流失调电压时 TIA 输出端出现异常下冲(负摆幅)

2-1. 配置/用途
-我尝试使用 OPA277 应用 TIA 输入失调电压。
- OPA277 输出被设置为约−3V 并作为偏移注入。

image.png

2-2. 观察到的行为
-当 TIA 输出产生一个大的正脉冲(~5V 振幅)时,之后的波形会低于预期的偏移水平,并显示一个负下冲(负脉冲/负摆幅)。
-如果我使用高速缓冲器(例如 LMH6704)来达到同样的目的,下冲就会消失。
 (随附:波形捕获,突出显示下冲区域)

image.png左侧:采用 OPA277 时为 TIA 输出;右侧:采用 LMH6704 时为 TIA 输出。  

2-3. 问题

1) 尽管目标只是施加直流失调电压、但 OPA277 有限的动态性能(带宽,压摆率,稳定,输出恢复等)是否仍能与 TIA 的高速脉冲响应相互作用并导致下冲?

2) 感谢您提供有关如何排除这种下冲可能的根本原因的建议。 此外、 在这种情况下、哪些缓解方法可行?

附件
-简化版原理图(清晰标记了偏移注入节点)
- LMH6704:输入电压扫描与 uVrms 表、FFT 图
- OPA277:TIA 输出波形捕获(标有下冲区域)

谢谢你。

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    您好:

     感谢您提供详细信息。  

     LMH6704:

    1. 是的、您在此处的理解是正确的。 如果超出器件的共模电压范围、放大器将在其非线性区域运行。 这意味着、距离指定范围越远、放大器就越能像没有负反馈一样正常运行。 它将无法将输入保持在相同的电位、这意味着输出将无法跟踪到输入。 因此、不建议在建议范围之外使用我们的任何放大器。 您是否能够切换到轨到轨输入/输出放大器? 或者如需快速修复、您可以移除缓冲器、只需在 OPA855 的输入端放置一个分压器。 由于放大器在线性工作区域内处于高阻抗状态、因此这种类型的偏置方法是有效的。 您可以添加去耦电容器(电容器接地)、以帮助消除从电源到放大器输入端的任何噪声。  

    2. 上面的说明。

    3.  在 CMIR 之外测量的噪声似乎会降低的原因是、由于放大器在非线性区域运行、因此其行为好像没有负反馈。 在没有反馈的情况下、 放大器会进入 输出饱和状态、这本身会限制可能的最大输出电压、包括噪声分量。 此外、在非线性区域运行的放大器的输出端将具有不可预测的非线性值。   

      OPA277

    1. 您是对的、如果纯粹提供直流失调电压、我认为与 LMH6704 相比、这应该不是器件速度较低且交流性能受限的问题。  这可能是由于同相节点处与快速高幅度信号反馈的相互作用、然后在具有较高交流性能的器件中保持信号保真度会更好。  

    2. 您能否在此处尝试移除交流耦合电容器:  

    谢谢您、

    Sima  

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    您好 Shima、

    感谢您的友好和详细的答复。

    关于 LMH6704:
    1) 我打算用一个轨到轨放大器代替它。
    2) 和 3) 感谢您的解释。 我现在更清楚地了解当前的行为。

    关于 OPA277:
    1) 我没有完全理解以下句子从你的答复:
    这可能是由于同相节点与快速高振幅信号反馈之间的相互作用所致。“
    您能解释一下您的具体意思吗?

    2) 无法移除同相输入路径上的交流电容器、因为差分 TIA 配置需要使用该电容器。 由于整体电路配置不变、仅更换了直流失调电压放大器、因此我怀疑问题与运算放大器本身有关。

    此致、
    更多细节

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    您好 Moon、

      没问题,我很高兴解释有帮助!

      对于 移除交流电容器的建议、我想检查该问题是否由缓冲器节点处的交流电流引起。 从与我的团队交谈并进行快速仿真、我不确定这是否适用于真正的差分 TIA 配置。 看到差分 TIA 时、要么使用具有双对称反馈的全差分放大器(如 THS4567 数据表中的图 8-8 所示)、要么使用两个放大器(每个节点连接在-in 处)。 下面是我推荐第二个案例设计的主题: 链接。 这里是 有关差分电流到电压转换的应用手册

     但是、为了回到关于 OPA277 与 LMH6704 的主题、我与我的团队讨论了这一点、他们同意这似乎仍然是与带宽问题(交流性能)混合在一起的直流失调电压问题。 由于缓冲器以交流电流连接到节点、因此缓冲器尝试将直流失调电压保持在设定的–3V。 但是、由于该输出节点处存在快速瞬变、放大器需要校正自身、以使 IN+和 IN-保持相同的电位、因此、当使用 LMH6704 的增益为 1V/V 时、应将电压保持在–3V 在这种情况下、OPA277 无法足够快地响应这些瞬态(尤其是在输入电流较高时)、这意味着它很难快速将失调电压设置回–3V。  LMH6704 的高压摆率和宽带宽 能够处理快速瞬变和高交流电流的这种组合。 它可以更快地校正其输入/输出电势、从而防止下冲并将电压稳定在设定的–3V 直流电平。

    谢谢您、

    Sima  

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    您好 Sima、

    感谢您的答复。

    我进行了两次实验。

    1. 我将 OPA277 替换为 ADA4841 µs 器(模拟器件;80MHz 带宽、12V/μ s 压摆率)。 根据您的解释、我预计下冲问题不会改善;不过、如随附的图所示、不会发生下冲。 尽管 ADA4841 的带宽比 OPA277 更宽、但在输出端再现 250MHz 交流分量仍可能不足、而且其压摆率也明显有限。 因此、这一结果似乎与您的假设相矛盾。

    2. 我移除了您最初提到的交流耦合电容器。 在这种情况下、TIA 输出端的下冲会消失。 这似乎支持涉及较慢放大器的想法。

    为了整理结果、我尝试确定 ADA4841 和 LMH6704 之间的共性、同时分析 OPA277 规格以解释相反的行为。

    从稳定时间的角度来看:

    • LMH6704:~10ns

    • ADA4841:~120ns

    • OPA277:~Ω 14µs

    对于 250MHz 周围的闭环输出阻抗、LMH6704 和 ADA4841 大约为几十欧姆、而 OPA277 预计为几百欧姆(基于 TINA 仿真)。

    我有两个假设,但我认为这两个因素不足以解释行为。 您能帮助我更好地了解导致下冲的原因、并建议进行额外的检查以找出根本原因吗?

    此致、
    更多细节

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    您好 Moon、

     感谢您运行并分享您的额外测试。  

    1. 当替换为具有更高 BW 和更高压摆率的器件时、下冲会得到改善。 因此、由于所选器件的 BW /压摆率较高、因此它将改善下冲、并将直流失调电压保持在更快的设置电平。 这与稳定时间摘要中的结果相匹配。  

    2. 感谢您试用! 拆下交流耦合电容器后、您将 OPA277 安装为直流失调电压、然后 TIA 输出下冲消失了、是否正确?

     如果前面的解释对 1 的结果仍不清楚,请告诉我)。

    此致、

    Sima