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[参考译文] 超高增益(1G...25G)直流耦合跨阻放大器-如何提高速度?

Guru**** 648580 points
Other Parts Discussed in Thread: LPV521, OPA172, OPA314, LM7705, TLV9001, OPA391
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed

主题中讨论的其他器件:LPV521OPA172OPA314LM7705TLV9001OPA391

在网上搜索有关改进互阻抗放大器 GWB (让我们称之为速度)的想法时、有许多建议介绍了使用额外运算放大器和 JFET 以及其他几个组件的几种自举方法。

但是、当提到"高增益"这一短语时、这通常意味着大约1M 或可能10M 的互阻抗。

在我的日常业务中、我将这称为非常低的增益、因为我通常使用1G 至25G 的跨阻电阻器。
 欢迎使用低电流消耗(<1mA)和超小型封装(如 SC70)。


让我们首先考虑以下几点:

对于 OPA291或 LPV521、CF = 1pF、RF = 25G、IP = 80pA、Ci = 10pF

所有这些紧密集成在精心的 PCB 设计中以控制泄漏电流和杂散电容的特性最终都能正常工作。
多个运算放大器提供不同的电流消耗和温度依赖性、但纯直流性能良好。

带宽限制在几 Hz 时并不奇怪,阶跃响应几乎是完美的 RF*CF 放电曲线,因此下降时间大约为200ms。

我正在寻找可提高阶跃响应速度的想法或技术。

是否有任何自举方法在如此高的增益下工作(在10M 以上未找到示例)?
是否还有其他想法可以改进阶跃响应、即使只是很少?

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    您好 Stefan、

    最简单的方法是减小反馈电阻器。 互阻抗损耗可通过添加第二个增益级进行补偿。

    另一方面、减小反馈电容也会增加带宽在这里似乎没有意义、因为反馈电容已经很小、无法进一步降低太多。

    另一种选择是使用 T 网络。 如下所示:

    e2e.ti.com/.../stefan_5F00_tia.TSC

    Kai

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    您好 Kai、

    非常感谢您的建议。

    当然、为第二级放大器降低增益是一种实用的解决方案。
    在实践中、由于采用单电源设计、这在第二级之后引入了一些不良的暗偏移。
    对于 OPA291、TIA 级的暗偏移在100µV μ V 范围内、但在第二级之后高达2mV。
    也许我没有为第二级选择最佳运算放大器(OPA314、OPA172)?

    T 网络方法当然是另一个好提示。
    我已经采用了针对0.1G 至1G 等"次要"跨阻的方法来减小电阻器的值、只是为了能够在更小的温度系数方面获得更好的电阻器(尝试在0603中获得25G 和体面的 TC)。
    采用这种方法时、噪声实际上会增加射频降低的因数、这可能是问题、也可能不是问题。
    我还注意到一个有趣的现象、就是只要反馈电容器的位置与原理图中的位置一致、振荡的趋势就会增加。 它趋向振荡的确切原因不清楚、可能是 PCB 中的杂散电容。 但是、如果我们将反馈电容器移回、使其直接从运算放大器输出变为负输入、则器件返回到稳定运行状态。

    正如侧注:整个电路位于直径仅为7mm 的圆形 PCB 上:)

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    您好 Stefan、

    [引用 userid="116240" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed/4206600 #4206600"]当然、降低增益以替代第二级放大器是一种实用的解决方案。
    在实践中、由于单电源设计、这在第二级之后引入了一些不良的暗偏移。

    LM7705可以帮助并允许 OPAMP 的输出完全降至0V。

    [引用 userid="116240" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed/4206600 #4206600"]使用此方法时,噪音实际上会增加射频降低的因素,这可能是问题,也可能不是问题。[/引用]

    正确。 这是 T 网络的缺点。

    [引用 userid="116240" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed/4206600 #4206600">我还注意到一个有趣的现象是、只要反馈电容器的位置与原理图中的位置一致、振荡的趋势就会增加。 它趋向振荡的确切原因不清楚、可能是 PCB 中的杂散电容。 但是、如果我们将反馈电容器移回、使其直接从运算放大器输出变为负输入、则器件返回到稳定运行状态。

    我展示的原理图非常简化。 当然、必须进行相位稳定性分析。

    使用 T 网络时、您的电路的确切值是多少?

    [引用 userid="116240" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed/4206600 #4206600"]正如侧注:整个电路位于直径仅为7mm 的圆形 PCB 上:)

    这不需要 ANT-MAN...的帮助

    Kai

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    [引用 userid="339984" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed/4208003 #4208003"]使用 T-network 时电路的确切值是多少?

    这里有一个使用数字电位计进行放大调节的示例。
    如果将100pF 仅与1000M 并联、则会因数字电位计的所有杂散电容而变得不稳定。

    但是、即使使用分立式电阻器而不是左数字电位器、在实际中、直接在运算放大器输出和输入之间使用电容器时、稳定性会更好。

    正如您所说的、LM7705是一个很好的附加器件、可以消除单电源零值问题。
    我们倾向于更频繁地使用它(目前在采购它时遇到问题:)

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    我无法编辑我的帖子。 但对于1000M、有10pF、而对于10M、有100pF、以获得正确的关系

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    您好 Stefan、  

      正如您说过的、数字电位计会增加杂散电容。 几个问题:

    1. 固定增益是否可接受?  
    2. 设计空间受限吗? 多级设计可能更简单。 您提到了单电源设计要求、直流偏置是否可用于您的设计?  
    3. 您正在寻找多大的速度提升(上升时间范围)?  

    谢谢、

    Sima  

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    您好、Sima、

    1. 固定增益是可以接受的、事实上、最初的意图也是如此(在侧面讨论中出现了可变增益)
    2. 设计受制于直径为7mm 的 PCB、光电二极管的中心尺寸为1.5x1.5mm。
      =>是的、我认为这是非常受限的。
      DC 偏置是一种选择,但由于空间限制,海事组织是不切实际的。
      双电源的实现确实要简单得多。 实际上、我已经做到了这一点、但希望忽略使用单电源的想法(单电源意味着3引脚组件、而双电源需要4引脚)。
    3. 任何速度提高都是值得欢迎的、可能是10%或50%。 我认为达到电流上升时间的一半是一项重大改进。

    因此、如果有需要双电源的想法-请告诉我

    直流偏置和双级设计只能用于未封装的裸片(我们15年前就开始使用裸片混合技术、但由于可用性和选择原因而改用封装的运算放大器)。 未包装的裸片受到复杂的全球配料的影响...

    这稍微说明了空间限制。 所示为 PCB 以及一个 SC70-5、2x 0603和1x 0402组件。
    就像一个示例一样-现在不应限制想法-例如、从回流焊到胶合/焊线接合时、无源器件可能会变小... 可能多达8个无源器件可与我认为已设置的 SC70配合使用。

    我还测试了更小的晶圆级封装、但发现其中的大多数变体都可以将光照到内部裸片上-这会产生人们可以想象的最糟糕的故障。

    信号光电流很小(PA-nA 范围)、同时目视杂散光强度很高(100klx)。

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    您好 Stefan、

    您计划使用什么 OPAMP?

    我使用 TLV9001进行了一些仿真、结果目前看起来不错。

    Kai

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    您使用的模型是否正确描述了偏置电流(过热)? 让设计在室温下正常工作是一件很好的事情、但让其在0...85°C 甚至-25°C 的温度下工作是一项令人兴奋的挑战。..125°C 没有太多偏差。

    到目前为止、LPV521和 OPA391已经在实际应用中使用、在温度稳定性方面具有很好的效果。 让我们将 OPA391视为参考器件。

    我实现了光电二极管在整个功率级的总 TC 约为300...900ppm/K (3G 互阻抗)。 主要贡献来自反馈电阻器和光电二极管本身(据我所知)。 确定偏置电流和偏移电流实际具有多大的影响有点困难。

    对于 TLV900x、输入失调电压和偏置电流没有过热范围/最大额定值、与其他运算放大器相比、2pA 的典型值"不是很好"。

    如果将 TLV9001与 OPA391进行比较、您会发现典型的偏置和偏移电流比 OPA391小两个数量级、在125°C 时的最大额定值仅为30pA 在任何方面都优于 TLV9001、以实现超低电流。 我怀疑 TLV9001具有最大偏置电流 125°、约为1nA。

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    您好 Stefan、

    [引用 userid="116240" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed/4213638 #4213638"]对于 TLV900x、给定的输入失调电流和偏置电流没有过热范围/最大额定值、与其他运算放大器相比、2pA 的典型值可以视为"不那么好"。

    我不想再推荐 TLV9001。 但我不得不使用任何 OPAMP 来开始仿真,我找不到 OPA291 (它不存在:-))。 现在我知道您的意思是 OPA391、而不是 OPA291、我可以发布我的结果。

    [引用 userid="116240" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed/4206600 #4206600">我还注意到一个有趣的现象是、只要反馈电容器的位置与原理图中的位置一致、振荡的趋势就会增加。 它趋向振荡的确切原因不清楚、可能是 PCB 中的杂散电容。[/QUERP]

    有趣的是、我可以重现您的电路的这种不稳定性:

    e2e.ti.com/.../stefan_5F00_tlv9001.TSC

    e2e.ti.com/.../stefan_5F00_tlv9001_5F00_1.TSC

    但是、这种不稳定不是反馈电容位置错误造成的、而是与输出电压过低和 OPA391的线性工作范围这一事实有关的。 OPA391的数据表中的开环电压增益规格指出、输出电压应至少比负电源轨高100mV。 离开线性工作范围意味着许多数据表规格不再有效。 因此、稳定的电路可以轻松转换为不可瞬变的电路。

    当 OPA391回到线性工作范围时、不稳定性消失(请参阅 V2):

    这凸显了 LM7705的添加有多大用处:它不仅允许输出电压一直下降到0V、还通过保证输出电压始终处于 OPA391的线性工作范围来稳定电路。

    [引用 userid="116240" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1133600/ultra-high-gain-1g-25g-dc-coupled-transimpedance-amplifiers---how-to-push-the-speed/4206600 #4206600"]但如果我们将反馈电容器移回、使其直接从运算放大器输出转换为负输入、则器件返回到稳定运行状态。

    将反馈电容器直接从 OPA391的输出端连接到输入端的一个缺点是带宽会下降:

    (在上面的仿真中、C1 = 1pF 的反馈电容的选择不是建议、而只是一个示例。)

    Kai

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    非常感谢、Kai。

    我肯定应该仔细研究 TINA。 这里的 Switchercad 不太特别…

    您是否会考虑将上述 TINA 文件作为起点?