[参考译文] OPA855：用于测量 10ns 脉冲振幅的建议

尊敬的 Evan：

非常感谢您的回复 — 在此期间，我实际上一直在擦洗论坛，并在推进我的设计过程中使用了您的很多回复，因此感谢您的回复！

波形的峰值振幅将是 3.6mA、因此范围为 0 - 3.6mA。 我可以将此值降低到我想要的任何值、但由于噪声问题、我不想担心该带宽下的 UV 失调电压。 我认为最好不要低于需要超过 10 个增益才能获得可用电压的范围。 因此、我为何要征询意见。

CFA 与 VFA：理解 — 我有点不确定 CFA 或 VFA 是否会更好。 我以前从未探索过 CFA 运算放大器、但根据我有限的研究（2 周）、似乎 CFA “据称“更适合更快的响应时间和准确测量电流 — 我看到可能是我错了。 根据数据表应用部分、我在反相配置中使用了 LMH6702、并且结果显示效果相当不错、但我不确定我对这些结果的信任程度。 请告诉我、我可以分享到我到目前为止的所有设计、但是、它们都是在 LTSpice 中完成的（因为有一个电流源我不确定如何在 TINA 中建模）。

LMH6702 与 OPA855： 您认为我在为 LMH6702 使用正常的 TIA 配置时遇到了困难、现在我明白原因了。 我很担心这一点。 我曾尝试使用具有相同增益和 Cf（或类似系数）的 OPA855、如果电路饱和、则根本无法使其正常工作、可能是因为将电路制造错了。 话虽如此、我是否甚至需要 OPA855 一样快的器件？  

OPA615不是的、我在帖子中添加了这一点、以表明我已经为此信号链的其他级选择了一些其他 IC。 想法是：TIA ->峰值检测器/S&H ->滤波器/缓冲器？ ->比较器->继电器。  

从上的滤波器/缓冲器到设计的方方面面都微不足道、我主要努力最终确定 TIA（主要只是在仿真中证明了一个运算放大器，我可以很好地进行实际布局）、并使 OPA615 用作我的快速精密峰值检测器。 我尝试实现数据表中的图 48、但遵循此处提供的建议： OPA615：使用 OPA615 的快速脉冲正检测器。 我也根据 Sima 的建议修改了它,但找不到他们的帖子。 如果有用、我可以将他们的 TINA-TI 原理图链接到这里。

关于减慢信号速度 — 我很可能使用了不正确的术语。  由于采集时间较长、我不能简单地从信号中拉出平均数量、因此我假设可以使用对信号进行多个滤波级（减慢）来实现直流输出。 请让我知道如何正确描述这一点 — 我现在假设将其称为脉冲/放大器是更正确的。 测量的准确性。

此外、我一直在使用单稳态多谐振荡器作为“脉冲担架“的某种实用设计。 目前使用的是 LT 芯片、但想找到一款与 TI 等效的芯片。 在 TIA 之后拉伸脉冲可能会减轻其余部分的负担、但不确定、因为我还没有走这条路径。

感谢您的时间和道歉的文章 — 再次感谢.

您好、Sam、

3.6mA 输入电流相当高,您可以以较低的增益（比如 500 欧姆,最大~2V ）,因此您可能不需要 OPA855 来获得所需的带宽数。 具体取决于脉冲的确切细节和光电二极管的电容。  

对于方形脉冲、通常估计 上升时间 为脉冲宽度的 10%。 因此 1ns、需要 0.35/1ns =带宽 350MHz。 为此、您可能需要 OPA855 这样的器件。 但是、由于仅测量峰值、因此脉冲不需要非常平方。  我见过更三角形的脉冲、在 10ns 内上下起伏、有时您只关心边沿。 3-5ns 上升时间只需要~μ s 100MHz 的带宽、因此 THS4022 甚至 OPA656 之类的器件可以根据二极管电容正常工作。 OPA855 可能很难稳定。

我建议您使用一些合适的计算器来决定器件：  【常见问题解答】跨阻放大器计算器 

感谢关于 OPA615 和减慢信号速度的说明。 帮助我了解应用程序、这一切都是合理的。 我不是多谐振荡器的专家,但我们确实有一些,即: https://www.ti.com/product/SN74LVC1G123 

我不能使用 LTSpice 文件,但如果你想让我看看,你可以在论坛上发布设计的屏幕截图。  

谢谢、

Evan

尊敬的 Evan：

我可以将电流降低到所选的任何值。 我想、低于 1mA 的任何内容都可能难以使用。  由于 Ibias 和 Vos 的影响、我希望不会低于 500mV。 这不是一个合理的问题吗？

关于这一点、有必要先降低增益、然后在 TIA 之后再使用另一个放大器级吗？ 如果是 — 您对此有何建议？ 我尝试了多种方法、但未能从 TIA 输出中获得任何增益。 也许只是我缺乏经验。

脉冲更像是基于类似激光的三角波、但 PD 在示波器上捕获该脉冲与我需要连接的波形不同、因此我真的不知道信号是什么样子。 我只能假设最坏的情况（接近正方形）。

在我要使用的反向偏置电压下、光电二极管的 Cj 为 1.5pF、上升时间为 300ps /下降时间为 300ps。 根据其规格、反向偏置电压为–5V。 我是否确实需要 350MHz 来捕获一些动态范围以稍后实现标准化？ ~，我可能不知道如何正确地对此电流源进行仿真，并且我出现了设计错误 — 我一直是针对 1/5n = 200MHz 进行设计的。 由于我已经在危险的频率下工作、因此使用 350MHz 可能只是一个器件选择问题。 我将研究一下 THS4022 或 OPA656。 我希望我已经基本上捕获了所有的频谱信息、因此可以使用同一个电路进行其他脉冲整形计量。  

我将看看计算器,如果我有任何成功,我会在这里发帖。  

您是否同意我需要 OPA615 等器件或某种方法来使信号变平、然后用在比较器中？ 我再次询问、因为我的项目同事相信您可以使用 RC 滤波器来实现这一点。 如果是,请告诉我我什么是误解！

我可以在 TINA-TI 中构建相同的电路并发送它们、无论最简单的方法是什么。 我不知道如何在 TINA-TI 中对 LTspice 中的相同电流源进行建模、因此我使用 LTspice 的原因是什么。

您好、Sam、

Vos 不应该是问题 —  TIA 在直流时实际上具有 1V/V 的增益。如果担心 Ib、它可能取决于 TIA 增益。 对于 BJT 输入器件、Ib 通常在 1uA 至 10uA 范围内、因此在开始影响输出范围之前、通常需要至少 10k Ω 的增益、更常见的是 100K Ω 至 1M Ω。 我们有 FET 输入器件 (<10pA Ib)、在本例中 Ib 不是问题。 请参阅 OPA858 或 OPA656。

如果您难以稳定 TIA、通常增益较低->带宽较多->更难稳定。 因此、增加 TIA 增益并降低光电二极管电流可能会更容易。 我认为您的 TIA 之后不需要增益级。

根据我的经验、200 –250MHz 对于 10ns 脉冲是正常的。 我们提供具有这些带宽的 LMH32401 或 LMH34400 等固定增益器件，这些器件可以在相似二极管电容下实现精细的脉冲宽度 — 您可以在数据表中看到脉冲响应。  如果您难以稳定 TIA、可以使用这些器件之一。 它们的增益为 2k Ω 至 40k Ω、并且具有其他一些不错的特性。

您或许能够以更小的带宽获得峰值电压。 上升时间将比输入脉冲慢、您可能看不到大部分方形平顶 视图、但只要您能看到听起来正常的峰值即可。   

我不确定您是否需要任何峰值检测电路、除非您的处理速度较慢。 其他应用具有足够的数字处理能力、例如、仅比较器适合用于获取脉冲之间的时间差。 但只要 RC 滤波器的速度不会太慢、无法看到峰值、就可以正常工作。

我无法使用 LTSpice 只是因为许可问题。 下面是一个思考过程示例、可以帮助您开始使用 TIA。  

我选择 OPA656、CPD=1.5pF、并选择 RF =10k。 我使用该计算器说、它需要 Cf=~800fF 来在 ~μ V 25MHz TIA 带宽下保持器件稳定。

如果我进行仿真以检查稳定性、可以看到 NG（噪声增益，或 1/VF1）以正常的速率拦截 AOL (Vout/VF1)。  

稳定条件：

具体思路是、对于给定的二极管电容、您必须选择一个反馈电容器、使交流增益在 更高频率下可以正常增加、从而使器件保持稳定、尤其是对于 OPA855 等解补偿器件。 NG 不应截取 Aol 曲线>20dB/dec 以确保相位正常。 这通常意味着将 NG 保持在其拦截 AOL 的频率处平坦、因为这通常已经以 20dB/dec 的速度滚降。 如果您取下了 800fF 盖、这意味着 CPD 将使 NG 仅上升、而不会变平。 这意味着器件不稳定。  

不稳定情况：

另一方面、CPD 会在反馈电阻器上制作一个 LPF、这会减慢反馈速度并导致器件不稳定。 相加 CF 补偿。  

检查 TIA 带宽、我可以看到这与我预期的 25MHz 有关。 根据我的经验、仅使用与光电二极管电容并联的默认电流源是可以的。 通常、光电二极管也具有一定的并联高阻抗、串联电阻可能很小、但通常可以忽略不计。 而不是电容。  

我还想查看使用相同电路的脉冲响应，看看是否有任何振铃或是否将在时域中振荡 — 有时 Aol 或带宽仿真可能是欺骗的。 您也可以在这里检查脉冲的完整性。 在此带宽下、我将执行 100ns 的脉冲、并需要 1V 输出、因此 1V/10k Ω= 100uA 输入脉冲。 对我来说、上升时间看起来像~18ns。

希望这一切都有所帮助。 如果您觉得有用、这里也是我使用的文件。  

e2e.ti.com/.../OPA656-TIA-Stability.TSCe2e.ti.com/.../OPA656-TIA-BW 和 Transient.TSC

谢谢、

Evan

尊敬的 Evan：

非常感谢您的深入答复。 如何在 TINA 中通过重复脉冲实现瞬态响应？ 我想看到不止频率响应的多个脉冲的稳定性。 如果没有超过几个周期的瞬态响应、我完全相信可以开发整个信号链。

我已经进行了多次计算、但我将按照此处所示的步骤进行操作。 我无法理解的是、如何在 PCB 上制造 800fF 电容器？ 这对我来说似乎并不现实。

在使用直流基准时、我仍然对如何将瞬时峰值与比较器配合使用感到困惑。 我假设我在这里误解、比较器输出不会振荡吗？ 我需要保持稳定、因为这将用于 继电器输出。  

感谢您的耐心。

您好、Sam、

在 TINA 中执行重复瞬态很简单。 如果您单击源、您可以单击信号旁边的三个点。 您可以在此处编辑信号类型并编辑振幅和频率等  

您应该改变直流电平、而光电二极管通常仅在一个方向上灌入或拉取电流。 确保电流不会变为负值。  

计算器很好、因为它可以为您进行数学计算。 我链接的计算器 II 可能更适合您、如果放置了所需的 TIA 带宽、反馈电阻器和光电二极管电容、它会告诉您运算放大器所需的增益带宽积和所需的反馈电容。 您可以在我们的网站上找到合适的运算放大器并在 TINA 中试用。 您可以按 GBW 进行筛选 — FET 输入可能更容易用于失调电压。  

https://www.ti.com/product-category/amplifiers/op-amps/high-speed/products.html

我也喜欢这个计算器、它在下拉菜单中包含了我们的一些器件、会自动为您填写内容。 如果您想更改相位裕度/增益峰值、编辑 Q 因子可以更改相位裕度/增益峰值。

e2e.ti.com/.../TIA_5F00_Bode_5F00_Analysis_5F00_With_5F00_Devices-_2800_1_2900_.xlsx

当然,这总是很好的通过数学自己的理解:)

在 PCB 上实现 800fF 散热可能很困难。 它们确实会使 MLCC 电容器变得如此小、我们通常建议在反馈布线周围和下方切断任何接地平面和电源平面、以更大限度地减小寄生电容。 仿真工具最好估算引线电容 — 您可以在网上找到很少的计算器。 或者、您可以使用增益和带宽、直到获得您认为可以控制的反馈电容值。  

您认为比较器输出将连续切换或在没有任何峰值检测的情况下“振荡“是正确的。 有时这是首选的、但如果您使用它来驱动继电器、则是的、听起来不好。

RC 滤波器更易于实现、但不会长时间拉伸比较器输出。 抱歉 MSPaint 工程图、但希望这可以说明我对它的理解程度。   

谢谢、

Evan  

尊敬的 Evan：  

我对你的答复有点困惑。 我需要一个源来更改脉冲宽度和/或占空比以表示波形。 我无法在 TINA 中找到执行此操作的方法。 脉冲波形仅允许我所能判断的 50% DC。

关于比较器、第三张图是我要实现的目标。 我希望可以获得更多见解、因为我不熟悉这些频率下的信号处理。

您好、Sam、

要更改占空比、您可能需要使用通用波形或使用分段线性函数并将其视为 AWG  ：分段线性：如何？ 测量功能 

您可以在 TINA 中构建类似分立式 PWM 电路的电路、但我认为这不值得：  Tina TI — 可变占空比方波 

对于我提到的峰值检测电路的第三种方案、大家可能知道我对实现该电路的了解程度。 OPA615 是您之前所说的一个不错的选择。 我的理解是、使用二极管只获得正脉冲并为电容器充电、 并使用电阻器缓慢放电以延长脉冲。 这与半波整流器不同。 在混合系统中使用放大器可以使检测器更快或更受控。

对于 10ns 脉冲、您希望将脉冲延长多长时间？ 你有什么困难与它?

谢谢、

Evan

尊敬的 Evan：

啊 — 是的，这主要是我一直使用 LTspice 的原因、否则我宁愿不必为我尝试的每个运算放大器导入.LIB/.MOD 文件！ 话虽如此、我会发布波形并向您展示为什么我遇到问题、但我似乎无法理解。 当我插入照片时、它会显示为黑屏。 每次我要更改振幅或脉冲宽度来测试电路时、PWL 和一般波形的更改都非常繁琐。

对于 TIA 设计、我最关心的是信号完整性。为了降低设计扩展的成本和可行性、我想避免使用 pF 范围内的任何电容器和 MΩ Ω 范围内的任何电阻。 我认为这是可行的、但需要找到正确的运行特性、这对我来说有点模糊、这意味着什么。 具有 0-10V 范围是最初的要求、但我很快决定 1-3 之间的任何值都足够了。 我希望任何高于 1V 的电压都尽可能远离本底噪声。

我不确定如何回答您有关脉冲的问题 — 信号实际上应该是在提供给比较器输入之前的脉冲。   只要电路能够在~<1ms 内响应振幅变化、脉冲宽度就可以是任何持续时间

我能够上传此图像 — 以上是我尝试执行的操作的示例。   

VB 不一定需要等于 VA、但它需要与 Va 成正比。 这是否使其更加清楚？

Evan — 我有一个使用 OPA859 的设计、我想让您提供反馈。 “你以为你赢了吗?

好的。 我接受了您的朋友请求、我们可以离线通话。