[参考译文] OPA551：HCP 架构。 即使输入接地、输出端也具有高噪声。 影响输出电压的纯正弦4MHz 波形？

您好、Steve、

我们是否会在本次调查中一次解决一个问题？

输入前端是一个差分放大器、其中电路需要以红色圆圈显示的参考点。 恒定电流由(VU1 - VLoadC)/RShunt 确定。 由于差分输入为5V、差分增益为0.1V/V、因此 (VU1 - VLoadC)= 0.5VDC、电流约为10mA、如仿真所示。  

此外、假设 PCB 布局与下面的电路相同。 我们需要排除 PCB 布局可能出现的任何潜在错误。  

e2e.ti.com/.../Improved-HCP_5F00_OPA551_5F00_Noise-07292022.TSC

通过对这两个原型进行特性分析、我首先注意到、在负载断开的情况下、两个 PCB 示例中的 OPAMP 输出都出现了负饱和、即使仿真显示出正饱和：

您能否抽取或描述您在上述测试场景中的输入？ 如果您断开反馈连接(如标记的蓝色节点所示)、则 VU1应接近零(假设两个输入均接地)。  

如果您允许输入在 VU1的输入端浮动、或允许 U2的 Vin+输入悬空、请参阅标记为紫色的节点、那么我将不知道您将具有什么。 如果您浮动输入或 VLoadC、反馈电路将不会以线性模式运行。

关于噪声测量、您能否描述您捕获的示波器配置的 BW？ 请将示波器的带宽限制在20MHz、并在探头尖端使用短接地引线来测量噪声。 请向我们发送 您的设置图片、或许我们能够了解正在发生的情况。  

最棒的

Raymond

Raymond、首先非常感谢您的回答。

我随附了真实 PCB 的原理图、布局和照片(具有大量接地过孔)、方便您使用

我很有信心至少在将原理图转换为 PCB 时没有犯任何重大错误。

所有用红色平方的器件实际上都处于关闭状态(无电源)、并与 OPA 的输出断开连接。

红色的两个圆圈表示两个运算放大器的输入、已跳接地。 所有测量都是在两个跳线都打开的情况下进行的、因此显然两个输入都应接地。 下方是仿真中显示的接受电压输入的 DAC 输入。

按照您的提示、我再次进行了测量、并注意到示波器探针本身引入了一些-30mV 噪声。 在未连接探头的情况下进行第一次测量、第一次测量为：

无 OSCOPE 探头：

测量期间连接探头-相同设置：

仍然存在正弦波：

'如果您断开反馈连接、如标记为蓝色的节点所示、您应该得到 VU1接近零(假设两个输入都接地)'

结果是：

请注意、使用此配置时、正弦波完全消失。

我已经读取了出现正弦电压的其他线程。

这是否相关？

更重要的是：该正弦波是否会影响输出噪声？

此致

谢谢你

您好、Stefano、

输出饱和的迹象取决于 OPA551输入失调电压的迹象：

Kai

相补角非常小：

e2e.ti.com/.../stefano_5F00_opa551.TSC

33°相位裕度太小、无法稳定运行。

Kai

您好 Kai。 很高兴再次见到你。 还记得吗？ 我们在这里的前一篇文章中讨论了稳定性和 wirk Marek Lis。 我现在意识到，在你的答复之后，我只对 U1进行了稳定性研究(确实非常稳定)，完全忘记在 U2上进行稳定性研究！！ 。

您能否建议一种增加相补角的方法？ 我现在已经尝试对其进行数天的补偿(即使使用 LEAD LAG 方法(两个输入端之间串联的电阻器和电容器)、但没有做出任何努力。

谢谢你

您好、Stefano、

Kai 说得很好、如果 U2缓冲器的输入悬空、用红色圆圈标记、Vos 可能会导致 Howland 电流泵饱和到任一电源轨。  另请参见 Kai 的仿真。  

HOWLAND 电流泵的输入是差分放大器、这意味着其输出只是输入电压差的函数、但它不依赖于其输入端的接地连接。 电路的输出仅取决于用红色圈出的参考点。  您需要提供以红色显示的电压基准、否则电路可能会进入饱和模式、具体取决于 VU1节点的状态。  

所有用红色平方的器件实际上都处于关闭状态(无电源)、并与 OPA 的输出断开连接。

红色的两个圆圈表示两个运算放大器的输入、已跳接地。 所有测量都是在两个跳线都打开的情况下进行的、因此显然两个输入都应接地。 下方是仿真中显示的接受电压输入的 DAC 输入。

我注意到板上有 Traco 电源直流/直流转换器。 如果没有电源、则使用什么电源为 OPA551供电。 我需要其他信息来解决稳定性问题。   

https://www.mouser.com/datasheet/2/687/tim2sm_datasheet-2320628.pdf

最棒的

Raymond

我发现、此振荡仅在负载电阻高于800欧姆时发生。 频率保持为4MHz、电阻增大会增大振幅。

低于这样的值时、不会出现振荡...

假设示波器的输入阻抗为10Mohm、电容为10pF。 如果存在一些寄生振荡、它是否不应随电阻变化而改变频率？？

谢谢 Raymond。 该电路板由外部双 PSU 供电。 在上部的照片中、您可以看到外部电源上的电压输入线进入绿色螺钉连接器。 Traco 板仅用于您看到的模拟多路复用器、但目前与所有其他逻辑器件一样处于关闭状态。

示波器探头和示波器上看到的正弦波之间必须存在关系。 我的意思是、我可以清楚地看到、如果我在测量期间将探针连接到电路板上、DMM 上的噪声电压会增加。

此外、如前所述、只有在负载大于800欧姆时才会发生此类振荡、这两者之间也必须存在关系。

Marek，很高兴再次见到你！  非常感谢您的这次启发。 明天早上、我将在实验室中执行所有数学计算和测量、 但与此同时、我想让您了解为什么4MHz 正弦波也会出现、同时输入对地短路、负载为1k (因此应完全在限制范围内(Vout U2接近零)。

正弦仍然存在5/600mVpp。 增加 Vin、Vpp 越高、也达到900mVpp。

增大/减小负载电阻值不会改变该正弦波的频率。 它突然出现在1k 欧姆左右...

必须与示波器探头相关..但如何测量探头本身是否导致问题如果我只有...要测量的探头？？？  

谢谢、

和往常一样。

Ciao

请显示您使用的电路的确切原理图、探头的位置以及输入差分和输出 电压的示波器图像。 零差分输入电压将导致 Rshunt 电阻器上的偏置电流接近零、从而允许噪声拾取馈入信号路径。  此外、如果您转到实验、 您可以尝试补偿电路、以便通过添加几个电容器来降低反馈环路的速度、如下所示。

Kai、非常感谢您的支持和仿真。

我有关于正弦波的消息。 它与负载阻抗和电源相关。 我是说。

由于在-24V 和+24V 时不建议进行上述补偿、情况如下图所示：Vout 为-20mV (两个输入都对地短路)。

将两个电压上升至30V 正弦完全消失、Vout 的"偏移"降至-15mV (两个输入都对地短路)。

正弦波也通过在正负 PS 轨之间允许+1V 偏移消失：

-25V   +26V 或偶数
-26V   +25V 我有：

我将回来实时应用您的上一个仿真。 我将首先答复马雷克的请求。 再次感谢您抽出宝贵的时间、并提供宝贵的提示。

Stefano

您好、Stefano、

对于具有如此关键相位裕度(不是完全不可稳、但同时也不完全稳定)的应用而言、此电路中任何参数的微小变化都会对稳定性产生影响。 该电路呈亚稳态。

您可以花几天和几周时间进行这些实验。 但是、如果您需要稳定的运行、则应大幅增加两个运算放大器的相位裕度。 请记住、每个运算放大器都放置在另一个运算放大器的反馈环路中、两个运算放大器都会对其稳定性产生影响。

Kai

Kai 完全同意这一点。 一个问题：您如何计算电容器和放置位置的值？ 背后是否有理论？ (除了反馈环路中的一个)或者是否有经验和尝试模拟例程？ 我看到有不同的选择。 此致

您好、Stefano、

来完成该测试  

说实话、我花了一些时间才找到这个电路。 我在所有反馈电阻器上尝试了电容器、从运算放大器的每个输入到信号接地、输出端的缓冲器等、但没有什么帮助。

因此、我搜索了一个不同的解决方案、该解决方案允许我在电路中的不同位置使用相位超前和滞后、并将0dB 交叉点移动到较低的频率。 这就是我为缓冲器提供增益并同时添加分压器的原因、从而保持整体增益不变。

我不想提出一个完整的解决方案、而是更好地摆脱相补角陷阱。

Kai

Marek。 以下是您请求的项目。 原理图是一致的。 我已经检查了十几次了。 在上面的几篇文章中、我们将对 Raymond 以及 PCB 布局和电路板照片进行答复。  我已经进行了您要求的测量。 在 OSCOPE 上以蓝色显示的差分输入 B-A：两个输入都对地短路。 Vout 具有一些-15mV 的偏移。 在交流模式下如此处所示。

下面是测试设置的图片：SP100探针位于 HCP 配置的输入端、两者均对地短路。 我固定了输出探针。

现在是补偿部分。

无补偿：

在 FBloop 处使用8pF 电容器时、正弦波消失：

在输出端添加100pF 正弦波可显著提高噪声输出端的580mVpp 和-55mV 电压(再增加-40mV)。 两个输入都短接至 GND

因此、最佳选择是在 fb 环路中仅添加8pF。

8pF 补偿稍微平滑了施加到输入端的1V - 1kHz 方波输出的上升/下降波形(蓝色)：

不包括：

使用8pF COMP：

我无法理解的是、在负载上添加100pF 电容器是这样的行为。 很明显、100pF 会导致运行不稳定。

此致

谢谢 Kai。 我已经在答复 Marek 时说过、通过在输出端添加100pF 电容器、运算放大器将偏离不稳定的稳定性。 正弦波获得600mVpp 值、并且两个输入都接地时输出端的噪声增加到-55mV。

我现在将尝试您的建议。 无法将运算放大器替换为 OPA552型号、因为它们不可用、并且无法立即对电路板进行返工、因此我将尝试您的其他解决方案。

我看到您在输出端使用10pF、而不是 Marek 建议的100pF。

我仍然不明白为何有不同的意见。 你告诉它是亚稳态的、Marek 告诉它是相当稳定的区域。

我甚至不理解的是、为什么通过添加两个电容器、仿真不会改变、而实际上它会发生很大变化。

在平均时间内、感谢您的耐心和耐心。

Stefano

您好、Stefano、

仿真中的 C2是不可测程探针电容。 它不会被添加以提高稳定性。 正好相反。

此外、您无法将具有增益的电路与具有无增益的缓冲器的电路进行比较。 两个电路在相环稳定性方面完全不同、需要完全不同的补偿。

这个电路很复杂、因为0dB 交叉点发生在三个不同的频率上、甚至是在整个频率频带内。 这使得解难变得非常复杂。

Kai

Kai。你的"这让你的解难变得非常复杂"会让我有点兴奋... 谢谢

您好、Stefano、

感谢 Kai 和 Marek 的支持和仿真！

正如 Kai 所指出的、Howland 电流泵电路看起来很简单、但分析稳定性相当复杂、遗憾的是 OPA551单位增益行为没有足够的相位裕度作为缓冲器。

我认为下面 Kai 的电路应该是稳定的、如果你保持 C7低电平、比如8-10pF。 Howland 电流泵有两个反馈环路、即红色和蓝色块、其中红色是内部环路(负反馈)、蓝色是外部环路(正反馈)。   

我猜内部环路的带宽 应 大于外部环路的带宽。 理论上、内部环路的 BW 看起来像外部反馈环路中的极点。 内部环路的 BW 必须比输出环路具有更高的 BW、否则可能会发生不稳定。

因此、如果您的选项太多、请尝试该理论。 或者、您也可以使用带宽较低的单位增益稳定运算放大器(带宽<1MHz、具有较高相位裕度)作为缓冲器来代替 U2。  

最棒的

Raymond

Stefano、

8pF 反馈电容器与 R2一起抵消输入电容产生的零、R1会稳定电路-但是、可以使用更大的反馈电容器 、从而降低带宽。  话虽如此、我之前没有在具有100pF 负载的上运算放大器上运行交流仿真、假设具有20欧姆串联输出电阻的电路应该是稳定的。 然而、事实证明、电路在 Aol 上运行了近 20个十进制频率、而不是明显交叉 Aol 和1/beta。 尽管仿真显示相位裕度超过50度、 但如果 GBW OPA551更高(由正常过程变化引起)、并且在最后一个 AOL 和1/β 交叉之后相位急剧滚降、则电路可能容易不稳定-请参阅下文。  这意味着电路在 OPA551典型值和较低 GBW 时将保持稳定、但 在器件来自较高速工艺角时将变得不稳定。

因此、为了 使电路稳健耐用、您可以在 使用 OPA551缓冲器的同时使用推荐的电路 KI 或使用电阻分压器衰减总增益、这会产生52度的相位裕度-请参阅下文。

小信号瞬态分析证实了电路的稳定运行-请参阅下文。