[参考译文] LPV542：反相积分器模式下的50Hz 振荡

尊敬的 David：

R3位于错误位置。 它应该位于反馈环路之外。 R3应将 OPAMP 的输出与连接到信号接地的容性负载隔离。 否则、反馈环路中的内部输出阻抗会导致相位滞后。 另一方面、C3 = 47p 不会导致不必要的相位滞后、而是产生所需的相位超前。 因此、您不应将 OPAMP 的输出与 C3隔离。 C3还不错  

根据我的相位稳定性分析、移除 R3后、您的电路应该稳定运行。

50Hz 噪声的原因是 R3会大幅增加电路的输出阻抗。 到达电路输出端的任何 EMI 都不能再对信号接地短路、而是会导致 R3上的压降。 这就是您在输出端具有 hum 的原因。 将 R3降至0r 会大幅降低噪声。

是否有用于 GUVB-S31GD 的检测器电容？ 我假设它远小于模拟开关的杂散电容。 此外、什么是 Vref？OPAMP 的电源电压是多少？

一些提示：

添加一些电阻以抑制振铃并降低充电和放电电电流尖峰会有所帮助。 您可以向模拟开关添加一个串联的小电阻器、例如1k。 C3不需要短路、但可能会从非零放电电阻中获益。 此外、在模拟开关的 IN 引脚上串联安装一个1k 电阻器。 即使是低通滤波器、也有助于降低开关信号的边缘陡度。 请记住、LPV542是一款8kHz 毫微功耗运算放大器、不喜欢快速变化。  

Kai

您好、Zim、

我尝试了一些仿真、它应该是稳定的、尽管 R3是错误的位置、并且可能不需要。 与其他放大器相比、极低功耗运算放大器可能更加困难。 您能否尝试从输出到接地或运算放大器电源的 R3？  为输出驱动器提供直流电流、并且仅使用其中一个驱动器可能会帮助其更好地运行。 如果可以、但电源电流太高、请使用值更大的电阻器。

"R3减少振荡"是否意味着它仍然存在？  请提供振荡波形。  

尊敬的 Kai：

感谢您的建议。  我怀疑我的 R3出了问题、但最好能听到有人知道。  我不愿意添加更多的 R 和 C、因为我的布板空间很小、并且我已经在使用0402s。 我已经尝试了一些符合您建议的东西(我认为)。

我尝试将 C3的右腿移到运算放大器输出和 R3之间的节点。  这 消除 了增加 的相位滞后、同时仍将开关和 ADC 与运算放大器隔离。  它甚至会通过开关为放电添加串联电阻。  光电流流经 R3时会产生较小的偏移、但这不会对我造成影响、因为它仅在开关关闭时才会产生偏移、并且它小于1LSB。

我的问题没有得到解决。  前2个窗格显示的电路没有光电流、后2个窗格中的光量很小。

其他问题的答案： 光电二极管数据表未指定电容。  VREF 为1.024伏、Vcc 为3伏。  这两个电容器均通过0.1uF 电容器旁路至 GND。  (我知道我应该绕过 Vcc 至 Vref……这会有什么显著的影响吗？)

我还应该尝试其他想法吗？

尊敬的 Ron：

感谢您的回答。  加载运算放大器的输出是一个好主意、但它没有改变结果。  我首先尝试将1M 电阻接地、然后尝试50k、但没有变化。  (这些测试是在执行了凯的建议后进行的。  有关详细信息、请参阅上述内容。)

这里是负载前后的波形。  偏移值出现在 Kai 的 mod 之后--我不知道为什么。  每计数500uV、采样率为63.8kHz：

每个窗格的最后一个窗格显示了向光电二极管添加最小光量的效果。  它就像魔法一样。   

"R3减少了振荡"意味着它 仍然会振荡、但仅在没有光电流时才会振荡。   

有些进步…  这是 R3=0时的结果、运算放大器输出端到接地端之间有一个1M 电阻：

振幅已降至约4LSB。  振荡仍然存在、除了最后一个帧、我允许它看到一些最小的光。

尊敬的 David：

非常有趣。

如果没有任何光、光电二极管将变得非常高的欧姆。 由于您没有任何反馈电阻、因此整个反馈路径将成为极高的欧姆天线。 您可以尝试添加与光电二极管并联和/或与 C3并联的高欧姆电阻。

您还可以添加一些法拉第屏蔽：用金属盒(至少是铝箔)将整个电路封闭、并将其连接到 OPAMP 的接地引脚。 仅在光电二极管的光学窗口处打开屏蔽。

可能还有另一个问题。 您说您的基准电压是1.024V 吗？ 基准电压应以欧姆为运算放大器电路供电。 您如何提供该信息？

此外、如果1.024V 由电压基准芯片生成、请记住、某些电压基准不像电容负载、可能会变得不稳定。 其他则允许容性负载、但仅在特定范围内。

此外、有些不喜欢零负载电流情况、或者由于仅在特定负载电流下的容性负载而变得不稳定。

因此、最好关注1.024V 系列。 您可以对 Vref 进行范围界定。 您在那里看到了什么 hum 吗？ 您不应该...

Kai

David、

Kai 有一个很好的观点。 如果不移除光二极管或光电二极管、该电路将成为输入偏置电流自测量电路。 当我制作其中一个时、我必须保持4英尺的距离或将其放置在笼中以防止测量损坏。 它就是这么敏感。 即使电流很小、二极管也会成为电流源。 没有完美的电流源、所有电流源都有一些有限(并联)阻抗。 该有限阻抗将降低反相输入端的总阻抗。 因此、这并不是真正的神奇。

请勿尝试使用光照并将示波器与线路频率同步、我相信您会发现50Hz 是空气收集器、而不是振荡。

您好 Kai 和 Ron、

现在*这*是有道理的！  我刚刚 测试了电路的最后一个版本(R3=0、1M 从 OUT 添加到 GND)。  结果如下：

前两个窗格打开了顶部荧光灯、器件位于铝盒中。  (箱子不是完美的护罩、因为上半部分和下半部分都涂有漆、并且彼此之间不存在电气接触)。   

窗格#3显示当我打开框并触摸设备时会发生什么情况。

当我用一只手(覆盖传感器)拿起设备、同时将另一只手作为天线伸出头部时、窗格4会显示。

窗格#5-8重复1-4、但顶灯关闭。  (7号期间我确实把手放在了空中、所以这就是它看起来与8号一样的原因)。

请注意、蓝色迹线跟踪 Vref。  这里没有问题，但这是一个很好的考虑来检查它。

所有这些都清楚地表明 、Kai 的分析是正确的、输入基本上是浮动的。  (好的、现在我想了。)

我想在某个地方添加一个欧姆元素、以防止这种情况发生。  将其置于输入端(与光电二极管并联)的问题是光电流为~1pA 至~1nA、因此 电阻器需要几个 G 欧姆至 T 欧姆、因此它不会占主导地位。  将其放入反馈环路(与 C3并联)的问题是、它会使数学变得非常混乱、并且完全改变了积分的良好、干净的斜坡。

考虑第二个选项、具有并联电阻器的积分器是否仍然是积分器？  R 值无限高的情况下、它是。  随着 R 下降、 系统的行为越来越像标准互阻抗放大 器、C3的行为越来越像滤波器、而集成器的行为越来越不像。  我记得传递函数中有一些复杂的数学运算、因此很难确定光电流是什么。  有什么帮助？

与光电二极管并联的电容器是否起作用？  将空气收集器传递到 GND、而不引入任何直流失调电压？

请参阅以上我对您和 Ron 的答复。

尊敬的 David：

我知道大多数现实世界集成商在反馈环路中有一个与集成电阻器并联的电阻器。 关键是始终在积分电容和并联电阻之间找到平衡或更好地说-折衷。 如果您在频域中进行处理、它是时间常量计数或转角频率。

您最好通过反复试验来选择合适的集成电容和并联电阻。 确实有一些公式、但他们从未"详细了解"什么对您来说很重要

也许值得一提的是、当集成电容未充电时、并联电阻不起作用。 无压降、无电流。 积分电容充电得越多、那么以不受限制的方式流经并联电阻的电流就越大。

为了最大程度地减小并联电阻引起的误差、通过它的电流应该比通过积分电容的电流小得多。 流经积分电容的电流可通过以下公式进行估算：

IC = C x duc/dt

通过并联电阻的电流可通过计算得出：

IR = uC/R

您可以从上面的图中读取"duc/dt"。 可以通过该"IC"进行估算。 并且可以根据采样间隔"ir"末尾的电压"uC"计算出与所选并联电阻"R"一同流动的电压。 这种非常简单的方法是正确的、足以让人了解应该选择多大的"R"。

Kai  

这就是问题所在。  流经集成电容器的电流为1nA。  积分 大约需要50ms 才能达到1V 至47pF。  (这是信号达到最大值的时候！)

抱歉、我不能通过 并联反馈电阻器分流来浪费任何该信号。  此外、100G 电阻器也不便宜。

尊敬的 David：

是的、由于您的集成电容器非常小、即使是1Gohm 也仍然太小：

e2e.ti.com/.../david_5F00_lpv542.TSC

最终、与光电二极管并联的电阻器可以实现这一目的吗？

Kai

David、

您能否与50Hz 同步开始和停止测量、理想情况下是在过零时？ (在世界其他地区可能为60Hz)。 可能还有其他数学解决方案可消除50Hz 和60Hz 频率。 最简单的方法是使测量周期为100mS；这将与50Hz 和60Hz 同步。  

尊敬的 Kai：

这是一种巧妙的解决方案、将 R 与光电二极管并联。  我尝试了它、虽然我没有10M、所以我使用了1.74M。  这一点无关紧要、因为输入之间的 Δ V 为零、所以如果一切都根据物理原理正常运行、则不会有电流流动。

结果： 它不起作用。  整合很顺利，但结果不符合预期。  在完全黑暗中  、积分斜坡比斜坡更陡、并施加一些光线。 (非常显著！)  因此、我认为我们正在处理运算放大器和光电二极管的一些边缘非理想特性。

再想一下、我不确定问题是 INV 输入是否为"开路"。  反馈电容器是否不会使 INV 输入保持漂移？  当输出在50Hz 下上下移动时、是否不会通过电容器将其传递到 INV 输入？  此外、当存在光电流时、我现在发现了50Hz 纹波、但只有当我通过将套管摩擦来充电时、才会看到这种纹波。

我将研究 Vref 的一些问题。  事实证明、我从 具有一定阻抗的 MCU 引脚获取了 Vref。  这可能会导致纹波。  

再次感谢您的帮助。  

尊敬的 Ron：

好主意、谢谢！  我会给它一些想法、但最好完全消除拾取。

积分时间(开始到停止)现在大约为40ms。  如果 我调整反馈电容器的大小、 100ms 可能 是可以的。  

但是、在批量生产中、光电二极管的灵敏度差异很大。  我一直在通过调整仪器在软件中的集成时间来使其信号响应标准化。  固定积分时间会 导致仪器之间的光敏性发生巨大变化。  (我可以选择 每个积分上限来使光敏性标准化、但这会很混乱、并会对可制造性造成问题。)

仍然尝试消除纹波。

[编辑] 思考在遛狗时、我意识到我可以在100ms 测量、然后在软件中缩放结果。  分辨率和 SNR 会受到影响、因为我需要调整集成电容器的大小、以便 在 电源轨内保持最快的光电二极管。 较慢的光电二极管可能仅利用20%的可用动态范围。  不是很理想，但生活中很少有东西。

[编辑编辑] 在对狗狗进行更多的行走后，我意识到对于不太敏感的二极管--至少那些会导致测量值小于 ADC 范围1/2的二极管--我可以在另一个100ms 周期内进行积分。  这将增加刻度下半部分的分辨率、基本上给了我另一点。

尊敬的 David：

否、1.74M 太小。 请记住、50Hz 时47pF 电容的阻抗为68M。 因此、与光电二极管并联的电阻应处于相同的范围内、否则您会为电流产生增益。 我认为10M 是您应该使用的最小值。

以下是使用1.74M 进行仿真的结果：

100M 时：

Kai

谢谢 Kai、我会尝试一下。  可能需要一两周时间来获得一些高值0402。  我会在我这么做时通知您。

尊敬的 David：

我将采用10M 或22M 薄膜电阻器。

为了进行快速测试、您可以将一些1.74M 串联、您应该已经看到其中两个或三个存在差异。

祝你好运。

Kai

Kai、我尝试了100M 0805电阻器。  该电阻器似乎不执行任何操作。  50 Hz 噪声仍然存在。  我将尝试两个 R 并联以使50米、但我开始失去信心。

我一直在使用您的 TINA 文件、以便更好地了解1.74M 的行为方式。  我针对1.74M 和100M 运行了 TR 分析、1.74M 显示了输入上升前的上升输出。   我不明白为什么会发生这种情况。  

此外、有关 如何使用 TINA 的问题：

1. 我不小心换了一些东西 ，所以输入 从 1nA 步进到2nA --我找不到把它改回的地方。  IG1设置为0 DC、单位步长为1nA。  

2. 分析图中显示了一系列输入条件，因此输出将扇出。  我找不到关闭它的位置。

再次感谢您的建议。  你太棒了。

e2e.ti.com/.../1401.david_5F00_lpv542.TSC

50m 电阻器的结果： 无变化。   

这些测试条件不相同、因此振幅会改变一个位。  但 50 Hz 噪声仍然存在。

1.024v/50m = 20nA。  这比光电二极管消耗的电流高20倍。  我想噪声的来源是其他地方。

[编辑]：图中显示"1.0uF 旁路"。  这 是在 Vref 上。

尊敬的 David：

您已使用"select control object"命令对"IG1"进行了无实称修改。 "IG1"现在标记为小叉号。 最好将其"删除"、然后从 TSC 文件中复制并粘贴"IG1"。

Kai

新问题： 我已重新排列电路、 并在输出端添加了1k 和100nF 电容：

这提高了 ADC 的性能、但也增加了大约2.7kHz 时的10mV 振荡。  是否有任何关于如何解决此问题的建议？

我仍在50Hz hum 上工作、但输出阻抗是需要解决的更大问题。

尊敬的 David：

只有在 ADC 连接并运行时才能看到2.7kHz 振荡？

参考50Hz hum：我将 Faraday 笼延伸至整个电路、包括微控制器。 即使在运算放大器电路和微控制器之间提供额外的局部屏蔽也会有所帮助。 检查屏蔽：当整个电路被屏蔽时(即使光电二极管没有任何开路！) 50Hz hum 应该消失。 此外、重要：避免环路在屏蔽层和信号接地之间形成多个连接。 这会产生环路、磁场可以再次感应电流。 您可以在法拉第笼内添加局部护罩、但避免它们形成任何闭环。

您还可以为电路使用实心接地层。 但将模拟电路与数字电路分开。

您能否发布您的布局和设置照片？

Kai

尊敬的 Kai：

很抱歉耽误你的时间。  由于成本和可制造性、我犹豫是否要使用法拉第笼来解决这一问题。  电路非常小、反馈环路内的电路板面积非常小。  我不认为这是布局或接地回路问题、但我将在下一页中介绍。

感谢您的上述博文、我一直 在使用 TINA-TI 来解决这个问题。  首先、我添加 了光电二极管的非理想无源元件、但我必须对这些值进行猜测。  (幸运的是、当我更改这些值时、它不会对输出产生太大的影响、因此我认为这些并不重要。)   

接下来、我对 上一篇文章中描述的修改后的电路进行了建模。  (提醒：当在硬件中进行测试时、除了2.7kHz 左右的一些 HF 噪声外、这个电路运行良好。)  我发现了以下内容：

在该模型中、增益大幅增加、相位交叉180度、恰好在3.7kHz 左右。  这并不是相当2.7kHz、但非常接近。  在模型中、将串联输出 R2的值增大到5k 会使其消失、并且波特图会变得像应该那样平坦。  我  今天在硬件中测试这个、看看它是否会使 HF 振荡消失。

我还使用 TINA-TI 找到了一些可能有助于50Hz hum 的东西。  我在 IG1中添加了50Hz 信号、并更改了反馈电容器以查看对输出的影响：

当反馈电容器的值增大时、hum 会大幅降低。   硬件也是如此。  

感谢您提醒我 TINA-TI。    当每次修改都是虚拟的、而不是焊接到硬件中时、尝试不同的解决方案要容易得多。 (虚拟=每次迭代的秒数、硬件测试的小时数。)  现在我已经知道要修改的内容、我将 在硬件中进行尝试。  我将告诉您 它是怎么发生的。

－Zim

e2e.ti.com/.../david3_5F00_lpv542.TSC

David 工作得很好

我估计了 GUVB-S31GP 的检测器电容值为1pF、因为其敏感区域极小、仅为0.076mm^2。 与灵敏度为7.5mm^2的 BPW34相比、这一尺寸大约小100倍、探测器电容将比 BPW34的70pF 小约100倍、因此产生的电容约为0.7pF。

这样的小检测器电容将解释数据表中未指定该值的原因。 它将处于正常布局杂散电容范围内、甚至会超过大多数运算放大器的输入电容。

但是、由于光电二极管是紫外线光电二极管、光电二极管内有效的耗尽面积厚度可能与标准光电二极管相差很大。 因此、我认为最好向制造商询问探测器电容。

Kai

干得不错、David

我只想鼓励您使用法拉第笼式屏蔽。 屏蔽是我们抗 EMI 的最强武器。

祝你好运！！

Kai