[参考译文] OPA192：跨阻放大器问题

Mathew、

由于负失调电压和/或 IB 电流、跨阻放大器的输出在暗电流条件下可能变为负值。  但是 、当您断开光电二极管时、若要达到正电源轨、它可能必须开环运行、具有较大的泄漏电流或振荡-更不用说了、 我们需要知道负电压的幅度、并查看您的电路的详细信息、包括运算放大器模型和所用组件的值。 请记住、任何运算放大器输出都不会摆动到 其电源轨、因此在单电源上、 在电流足够高、能够将输出提升到数据表中指定的最小电压以上之前、您将无法测量低电流电平-请参阅下文。

尊敬的 Marek：  
请参阅以下电路以供参考。



该 TIA 的输出后跟使用 OPA292的电压跟随器级

我进行了交流分析、可以看到输出相当平坦、具有良好的-3dB 点且无峰值。  

增加一个小偏移(大约200mV)就足以阻止该级的输出变为负值并影响其他电路(因为 MCU 只读取0-5V 信号)。

谢谢

为了测量暗电流、您需要将 OPA192输出高于接地电压200mV 提升到其线性电压范围内。  这将实现0至~48uA 范围内输入电流的精密测量-请参阅下文。

假设光电二极管的阻抗和结电容正确、电路稳定且相位裕度为73度-请参阅下文。

但是、如果您需要5V 单电源供电、您可能应该使用 OPA392等低电压运算放大器。  这将使两个电源轨在50mV 范围内实现更高的性能和更宽的输出电压摆幅-请参阅下文。

该电路同样非常稳定 、具有73度相位裕度。-请参阅下面的。

请查找 TINA-TI 电路原理图。  

e2e.ti.com/.../Mathew_2700_s-OPA192-Transimpedance-DC-sweep.TSC

e2e.ti.com/.../Mathew_2700_s-OPA192-Transimpedance-AC-stability.TSC

尊敬的 Marek：

感谢您的回复。 我不需要测量暗流。 我需要做的是测量光电二极管电流减去暗电流。 这意味着根据数据表、器件产生的最大暗电流为15nA (通常为5nA)。 因此、如果我们有15nA 流经95.3k 反馈电阻器、则输出电压应为1.43mV。  

在不将输出变为负电压的情况下、如何在电路中实现这一点？ 添加偏置会有所帮助吗？

谢谢

Mathew、

任何运算放大器输出都无法摆动  到其电源轨、因此输出范围的限制与暗流毫无关系。  AOL 的条件定义了输出电压摆幅的线性范围、如数据表中所示(见下文)、对于10k 负载、OPA192的摆幅为300mV (对于 RF = 100k、为~200mV)、对于 OPA392、摆幅为50mV 左右。 因此、您应该按照我在上一次答复中向您展示的方式使用这些电路。  允许输出电压更接近负电源轨将导致非线性、因此测量错误。

尊敬的 Marek：

您能否解释 电感器为何位于第二个电路的反馈环路中？ 这是对寄生电感进行建模吗？

非常感谢  

Mathew

Marek、

我想说的是、在现有设计中、互阻抗放大器连接到电压跟随器、然后连接到6个放大器级-每个级的增益为先前级别的4倍、例如1、4、16等

正如您所提到的、我已经对电路进行了返工、但是这次、我添加了一个缓冲器和差分放大器级。 原因是、在50mV 偏置电压(在互阻抗放大器输出端)下、该电压将被后续放大器级(在当前设计中)放大、因此在弱光条件下、ADC 始终读取满量程电压。 差分放大器应"使50mV 偏移电压无效"、并在较高增益级提供一些合理的读数。  

请参阅以下更新的电路。

具有缓冲器和差分级的电路：

以上电路的直流传输函数显示了直流偏移辐射效应

交流传递函数

从直流传输函数可以看出、差分放大器正在执行其使偏移归零的任务。

从交流传递函数可以看出、Vout3上似乎发生了一些峰值。  

我想知道您对此有何看法？

谢谢

Mathew

Mathew、

在实际电路中、不存在1T 电感器和1T 电容器-它们仅用于开环增益(AOL)和逆 β(1/beta)曲线的仿真、以直观确定电路的交流稳定性。  请查看以下链接下的 TI 高精度实验室培训材料：

https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-stability-introduction?context=1139747-1139745-14685-1138805-13848

尊敬的 Marek：

非常感谢您的回答。 这就是电路现在的连接方式。 Ve 和-ve 电源轨分别为+/-4.98V。 反相输入连接到 GND、同相输入连接到光电二极管、但是、一旦我将光亮度降低到真正的低电平、这会在输出上产生负电压(大约-5mV)。 如前所述、后续级为6个放大器级、每个级的增益为上一级的4倍。  

由于第一级的输出为负、电路的其余部分会放大该值、因此输出为负饱和-而范围为0-5V 的 ADC 不会读取该值。  
我不确定第一级运算放大器的输出为什么为负。 这意味着系统不会测量任何低电平电流、因此无需使用更大的光电二极管。 因此、我将偏置应用于同相输入的推理。  

请注意、在使用较小的光电二极管时、此问题不可见、并且不需要使用双极电源(如果单电源解决方案能够提供合理的结果-我认为这可能很困难、尤其是由于 AOL 电压限制。)

希望这对您有所帮助

Mathew、

该电路将无法正常工作、如您所述："反相输入连接到 GND、同相输入连接到光电二极管。"

图片值千分之一个字-请使用随附的 TINA-TI 原理图进行更改。

e2e.ti.com/.../5633.Mathew_2700_s-OPA192-Transimpedance-DC-sweep.TSC

尊敬的 Marek：

抱歉。 我描述的电路错误。 你是对的。 如图所示、电路已连接。 同相输入连接到 GND、反相输入连接到光电二极管阴极(光电二极管阳极连接到接地)。

您能想到互阻抗放大器的输出为何会停留在5mV (即使是由双极电源供电时)吗？ 仿真工作正常、但我看到的电压不接近于仿真结果。

在黑暗电流条件 下的单电源上、OPA192输出将恰好停留在5mV、因为这是它可以到达其负电源轨的最接近位置-请参阅下面的。

但是、我认为在双电源上不会出现这种情况-对于52.5nA 光电二极管电流、输出应仅为5mV -请参阅下面的内容。

尊敬的 Marek：

光电二极管安装在具有跨阻放大器的 PCB 上。 光电二极管已对其施加多种加热(在将其取下或重新打开时)。 同样、运算放大器位于非常靠近光电二极管的位置、因此施加到光电二极管上的任何热量也会施加到运算放大器上。 光电二极管或运算放大器是否可能因持续拆卸和安装而受损？

我尝试使用类似的光电二极管检查另一个类似跨阻放大器的输出、在弱光条件下、输出似乎不会低于0V。 我没有检查后续增益级以查看那里是否有电压、或者运算放大器是否只是输出0V (我的 DMM 只下降至3个有效位)。  

光电二极管或运算放大器是否可以执行怪异的操作？  

明天我将尝试更改运算放大器和光电二极管 、以查看问题是否消失。

欢迎提出任何其他建议。

Mathew、

在双电源条件和暗电流下、输出很可能会变为5mV、但这很可能是您在单个0/5V 电源下看到的结果。 将 OPA192加热至125C 可能会将 Ib 增加至5nA (见下文)、但除非温度上升 至大约160deg C、否则这会导致 Vout 约为0.5mV

尽管如此、将 OPA192暴露在超过150摄氏度的绝对最大额定温度(见下文)的温度下可能会对器件造成永久损坏。  就光电二极管而言、您需要查看其数据表以了解其最大额定温度。

尊敬的 Marek：

经过几天的测试、我将运算放大器替换为支持高达0V 测量的 OPA380 (一种跨阻放大器)。  
在信号输出方面、该器件看起来比 OPA192更好。  
在低电压下、我前面提到的第二个增益级(增益 x1024)显示的电压约为8mV。 但是、这似乎在+和-毫伏范围之间波动。  

我确实注意到、在 OPA192上、环境温度会影响信号(从 OPAMP 冷却时它会变得更大的角度而言)。  OPA380也会受到影响、但恢复速度似乎很快。

所有这些测试均在黑暗的室内进行、卤素灯从直流电运行以提供干净的信号。 该房间配有空调、因此温度设为大约20-22摄氏度  

在这些低电压下、我是否正确地认为噪声会破坏信号？ ？  

我在此附上 OPA380原理图供参考。

非常感谢

Mathew

您会看到45mV 的称为满贯输出摆幅、其中 OUTPUT 晶体管在非线性区域工作、并完全针对电源轨进行了三角接线、而数据表显示了100mV 的线性输出摆幅、其中运算放大器保持高开环增益。  

除了保持环境温度恒定 外、您无需更改失调温度漂移、但使用 OPA380最大漂移0.1uV/C、我相信您可以做得更好。  当然、在1024的高增益下、您可能会看到+/-1mV 的输出驱动、但如果温度保持在~2摄氏度以内、 这很可能是由于噪声造成的、因此您需要在低通滤波器之后测量电压以滤除噪声。

你(们)好，Marek

感谢您的回复。  
为了测量 OSD50-5T 的低光照水平、我现在已将增益增加到4.7Meg。 反馈电容为27pF。  
缓冲级输出(在互阻抗级之后) 现在的测量值高达-5mV。  
通过将偏置电压施加到互阻抗放大器的+ve 输入端到100mV 然后再将其归零、是否是阻止这种情况发生的唯一方法？还是最好移除2k 电阻器？

我想看一下数据表、它提到2k 电阻器可以连接到 GND。 在这种情况下、输出将限制为最大60mV (来自 GND)

其次，有什么可能 导致噪音的想法 ，以及有什么解决此问题的建议？  

谢谢

您使用的是 OPA380还是 OPA192？  如果暗电流仍然为15nA、则使用4.7M 的 TIA 时应将输出提升至 arounf 70mV、因此我在这里缺少一些信息。  请 随附 Tina-TI 电路原理图并进行最新修改、包括第二阶段-图片值千字...

尊敬的 Marek：

我之所以使用 OPA380、是因为与精密运算放大器 OPA192相比、它是一款跨阻放大器、而且它允许在无光照的情况下实现"真正零"输出。 所述的暗电流仍然相同(最大15nA)。 请注意、电源读数为+/-4.98V (不是原理图中所示的5V)。

我在这里连接电路供参考。

e2e.ti.com/.../TIA-with-x1024-Gain-Stage.TSC

非常感谢

Mathew

尊敬的 Marek：

非常感谢您的回答。 我有一些想法、我想知道它们是否起作用。  

我知道我之前提到过我使用的是 OPA380而不是 OPA192。 我正在工作的 PCB 是为容纳 OPA192而构建的、因此 OPA380使用 mod 线(老鼠的巢)进行连接、因此不是一个良好的噪声稳定性设计。  

因此、我决定返回 OPA192 (因此电路的连接与您所提到的完全相同 -除了缓冲器级位于电路路径之外-我还想在下一次迭代中删除它) 我现在想的是以下的想法(请参阅本答覆所附的原理图)。

您对+/-25uV 之间偏移波动的想法非常有趣、因此我相信这将解释为什么我在 TIA 和增益级的输出上看到不同的电压量。  

想法1：监控 Vout3 (1024增益级的输出)并施加失调电压(在 TIA 上)、使 Vout3 +ve 或接近4mV。 产生4mV 的原因是增益级连接到一个10位 ADC (由5V 电压供电)。 这意味着 ADC 读取的最低电压约为5mV (4.88mV)。  

思路2：监控 Vout1 (TIA 的输出)、并在 TIA 的同相输入端施加相等且相反的电压、使其"归零"、同时使光电二极管完全变暗/闭合。 这意味着0个光电平、1024增益级将始终看到+ve 电压  

是否有任何这些听起来像是可行的选择。 很显然、这是在热稳定的环境中完成的。  

e2e.ti.com/.../OPA192-Ideas.TSC

或这个

非常感谢

Mathew

您是否说过您报告的输出电压变化适用于不同的运算放大器？  如果是这样、显然每个运算放大器都有不同的偏移、这种偏移会随温度的变化而变化、如下面所示。

让我从您的想法2开始：即使您可以将 Vout1的输出归零至零、由于 Vos2高达+/-25uV、Vout3的误差仍然可能高达+/-25mV -请参阅下面的内容。

因此、消除偏移的唯一方法是查看 Vout3并调整 Vnull、但我认为您可能无法 将其调整到所需的 UV 电平、以便在 Vout3下获得4mV。

尊敬的 Marek：

那么、我实现这一目标的最佳方式是什么？  

我是否需要使用零漂移运算放大器？  

正确的前进道路是什么？  我最初考虑了如何生成 UV 电平信号作为偏置电压。  

非常感谢你的帮助。

期待收到回复、

Mathew

我认为最好的方法是校准系统并在软件中进行所有必要的调整。  

尊敬的 Marek：

我认为、如果我施加的偏置电压为10mV (对于使用双电源运行的跨阻电路、我认为您建议从 ADC 读数中扣除10mV 信号(在软件中)。  

或

将此10mV 信号连接到 ADC -Vref 而不是接地基准(因此从 GND 升高 ADC 10mV)？
如果是、那么是否需要将其他增益运算放大器偏置到此10mV 信号？

谢谢

Mathew

Mathew、

请告诉我您尝试测量的电流的范围(最小值/最大值)是多少。  此外、您更喜欢单电源还是双电源？  如果您可以在软件中校准系统、则可以通过在硬件中偏移输出来轻松实现您的应用(无需馈送任何精密电压)、从而保持在运算放大器的线性输出范围内、并保持您使用的 ADS 的输入范围内进行测量。  BTW、您使用的 ADS 的输入电压范围是多少？

尊敬的 Marek：

电流范围介于0-52uA 之间。  

电流电路使用双电源。 我不知道为什么会使用双电源而不是单电源。 是保持系统的线性吗？ 还是为了最大限度地扩大传感器的动态范围？  

目前、我无法访问软件、因此需要在硬件中完成"修复"。 我没有设计现有的硬件。 这是由其他人完成的。

目前、我已经找到了适合解决此问题的方法。 我发现、在互阻抗放大器的同相侧施加小偏置电压将使最高增益范围(1024)输出读数约为5-15mV、相当于大约1-4个 ADC 位(在黑暗条件下)。 这将确保输出不会低于0V、因此 ADC 将读取所有正电压。

ADC 的输入电压范围为0-5V (约4.99V)。  

谢谢

Mathew

Mathew、

我们在这里绘制一个完整的圆。  在下面、请找到跨阻放大器解决  方案、该解决方案在光电二极管电流为0至52uA 时将保持在 OPA392的线性输出范围(0.05V 至4.95V)内。  如果您需要精度、应通过测量 Vout 并使用 Vout 确定初始误差(远离50mV)和实际增益(由于电阻器的容差)来校准 IG1=0和 IG1=52uA 的电路、方法是在 ADS 读数的后处理过程中考虑电阻器的容差值。

它采用17pF 反馈电容器来确保配置的交流稳定性-请参阅63度以下的相位裕度。

尊敬的 Marek：

上述解决方案看起来不错、可在下一次系统 PCB 迭代中实现。  

我现在面临的主要问题是系统的现有模拟前端没有根据我的需求执行。 我看到测量值比平常下降得早很多(在弱光水平下、使用的是1024增益范围、 然而、在仔细检查其他增益级的输出电压时、我可以看到输出开始从 x16增益范围变为负、并且当我测量1024增益范围时、输出大约为-250mV)。

请注意、目前、6个增益级按如下方式进行分频(互阻抗级使用 OPA192、x1 (缓冲器)、X4使用 OPA2192、x16 - X1024使用 OPA4192)。

您提到的解决方案看起来确实可以正常工作、但目前我只能访问硬件端、而不能访问软件端。 您的建议可以在整个 PCB 的下一次迭代中实现、因为这样我就可以完全控制硬件和软件。  

如前所述、初始电路是围绕 LTC1053运算放大器设计的、但现在已经过时了。 然后、我们转向 OPA192、它看起来比 LTC1053更好、但我们确实看到了混合改进、但现在我们正处于完全使用该系统的阶段。 但是、正如我提到的、这在 工程中扔了一个扳手、我正在尝试解决这个问题。 这些问题大多也出现在旧设计中。

一种变通方法是在互阻抗放大器的同相侧应用极小(< 5uV)的信号、从而设置一个暗光电平、该暗光电平将转换为10位 ADC 的0位(<=5mV)。 目前、我使用10Meg 电阻器和470欧姆电阻器来降低5V 电源电压、然后通过电位计调节电压、直到1024范围读数约为5mV @深。

光电二极管以零偏置模式连接、因此暗电流应为0。  

我知道向同相侧施加偏置电压会反向偏置光电二极管并导致其产生暗流、但只要输出电压(1024增益范围)保持在4mV 电平或其周围、ADC 读数就为0。 对吗？

另一种方法是使用12位或16位 DAC 生成较低的电压(从5V 开始)、然后对其进行分频、然后通过 POT 生成可调电压基准。  

我知道该论坛仅适用于德州仪器器件、但我只是想介绍一下。 我发现了另一个 LT (LTC2054)的运算放大器、其偏移质量优于 OPA192。  

下一个迭代模拟板将在为双电源接线的所有增益级(包括跨阻级)上使用此值。 您对此有何看法？

谢谢

Mathew

如果您附加了原理图、这将非常有帮助。

e2e.ti.com/.../5710.OPA192-Ideas.TSC

尊敬的 Marek：

我将随附 TINA 文件 FYI。 我只放置了1024增益范围电路、而不是其他电路。 如果您希望我在其他增益阶段重新执行此操作、请告诉我。

谢谢、

Mathew

Mathew、

您的电路具有太多的增益、因此第二级 Vout 已经在 175nA 的电压轨上饱和-请参阅下面的- 因此没有必要。

由于您使用双电源供电、因此您需要能够在任一方向调整电位计、使 OPA192的偏移高达+/-25uV、一直到零。  为此、您应该使用两个电阻值为200欧姆的10M 电阻器、该电阻器将为您提供+/-50uV 调节范围-请参阅下面的内容。  BTW、如果您的电源电压与+/-5V 相差很大、则可能需要使用更大的电位计电阻来获得所需的范围。

使用10pF 反馈电容器运行交流稳定性、可产生91度的相位裕度-请参阅下文。

运行瞬态分析可确认小信号过冲为10%时的稳定运行-请参阅下文。

为了方便您、我在下面附上了 TINA-TI 电路原理图。

e2e.ti.com/.../OPA192-transimpedance_5F00_ML.TSC

e2e.ti.com/.../OPA192-transimpedance-AC-stability_5F00_ML.TSC

你(们)好，Marek

感谢您的回复。  
第二级增益高的原因是测量低光照级别(<100 lux)。

系统不测量快速变化的信号。 带宽要求并不严格(可能低于10k)。

是否仍然需要使用固定值电阻器而不是 POT 来固定该失调电压？ 使用电位计时，我的主要问题是应用程序在振动很大的非常恶劣的条件下使用。  

该失调电压是否会解释为什么我看到增益级上的输出电压变为负？  

在上图中，我可以看到您已将1k 输入到信号路径中。 为什么会这样呢？  

谢谢

Mathew  

尊敬的 Marek：

感谢您的支持。  

我发现、彻底清洁 PCB (为 PCB 提供适当的 TLC - IPA 洗涤、使用防静电刷清洁、压缩空气、热风干燥并使其冷却至室温)、使电路正常工作(以前、 该测试 PCB 不工作、因此其他增益级为负)。 我还注意到、温度在设计中也起着重要作用。 在最终产品中、此 PCB 封装在温度控制箱中。 因此、所有读数都是在恒定温度下获取的。  

目前 、电路必须保持原样并彻底清洁。 稍后、当我重新设计电路板时、我将查看您的电路建议并实现该建议。  

我将使用超声波清洗器清洁所有 PCB、然后对其进行测试。 如果可以的话，我们有一个很好的解决方案，然后它返回到绘图板  和更多的头发拉，我将回到这个论坛。

非常感谢您的所有帮助 Marek、

非常感谢。

Mathew

尊敬的 Marek：

只是想问一些小问题。 如果我如您所示使用该电路、我将如何将其他增益级连接到跨阻放大器输出？ 它们是否需要偏置到与 TIA 相同的偏置电压？ 该偏置电压是否会馈送到 ADC、以便 ADC 可以从 ADC 读数中扣除该电压？  

如果 是、 如何参考 ADC？ 它是以 GND 还是偏置电压为基准？ 希望这有道理

非常感谢

Mathew

尊敬的 Mathew：

很抱歉耽误你的时间。 Marek 不在办公室。 当他返回给你一个答案时、我会和他一起工作。