[参考译文] OPA855：用于测量 10ns 脉冲振幅的建议

您好：

这里有很多想法、我会尝试回答所有问题、但如果我遗漏了您的任何顾虑、请告诉我。  

理论上、LMH6702 等 CFA 可以满足 OPA855 等 BW 需求、但我不建议将 CFB 用于跨阻放大器。 将其置于反相放大器配置中可能是有效的。 但它的增益通常较低、并且光电二极管上的电压将会下降、具体取决于脉冲的电流电平。 通常情况下、去除反相放大器的 Rg 并使用 Rf 来增大电流。 但这样做通常需要一个与反馈电阻器并联的电容器来补偿稳定性。 对于 CFA、这是非常不建议的。 切换到 OPA855 会遇到什么困难？

如果执行开关操作、可以将电压放大到峰值检测器、OPA855 的输出摆幅不会达到最高。   

您是否询问如何使用 OPA860 而非 OPA615？ 如果是、我认为是的、OPA860 可以更好地处理您的脉冲速度。 如果您发现其他线程对其实现有帮助、我将继续使用这些线程。  

我不理解的部分是需要降低信号速度。 您是指信号进入峰值检测器、还是从峰值检测器传输到比较器？

谢谢、

Evan

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?