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[参考译文] OPA2353:用于电流感应的交流耦合多级放大器:如何实现更高的交流增益

Guru**** 667810 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA2353, REF2030, LMP7721
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/1009907/opa2353-ac-coupled-multi-stage-amplifier-for-current-sensing-how-to-achieve-higher-ac-gain

器件型号:OPA2353
主题中讨论的其他器件: REF2030LMP7721

大家好、我正在为光电二极管设计电流传感器。

传感器输入最大为20fA。

电路的目标增益为260dB、目标带宽为3kHz。

由于该应用使用3.7V 锂聚合物电池、因此我使用了轨到轨运算放大器(OPA2353)。

我使用了一个增益 为140dB 的跨阻放大器和一个增益为60dB、40dB 和20dB 的三级交流耦合电压放大器

原理图如下所示。  

当我执行瞬态仿真时、结果表明信号噪声很大。  

我将最后一级增益更改为10dB、然后结果显示了非常干净的信号。

以下是我的问题。

为什么会发生这种情况?

2.如何解决?

3.我能否用更好的电路设计替换电压放大器级?

4.我能否使用电压基准(如 REF2030)来驱动四个运算放大器? (四个放大器在+输入端需要1.5V 偏置电压)

谢谢你。

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    你好  

    1) 1)这种情况也发生在 TI-Tina 中、因此我怀疑器件模型中存在奇数点。  

    2) 2)我无法使结果保持一致  

    3) 3) 20fA 非常小、第一级应具有非常低的 IIB 和输入电流噪声。 OPA2353在这里并不是最好的。 第二级应该具有非常低的输入电压噪声。  

    噪声版本更可信。 我希望最终输出上会有很多噪声。

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    我一直在研究这一点、第一级的 LMP7721噪声应该更低。 但是 、OPA2353的总噪声仿真较小。  请务必在 R8上添加一个电容器以限制带宽、因为这样会降低噪声。  

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    您好 Yunsik、

    我会以不同的方式做一些事情  

    OPA2353是一款600R 运算放大器。 使用100R 负载对输出短路不是一个好主意。

    2.无需将大部分增益合并到一个 OPAMP 上。 最好将总增益均匀分配到三个运算放大器上。

    3.在每个 OPAMP 级中都具有如此高的增益和没有任何带宽限制,您的设置将会像地狱般振荡。 去过那里、完成了  

    我强烈建议在每个级添加低通滤波。

    仿真器的"分析参数"需要针对如此高的增益进行优化。 将"TR 最大时间阶跃"设置为1µ μ s。

    通过这些修改、一切都很好:

    e2e.ti.com/.../yunsik_5F00_opa2353.TSC

    Kai

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     您好、Kai

    我对电路有一些问题、

    1.我是否应该将第一级的放大器更改为低噪声放大器以降低噪声?

    由于它应用于使用电池的应用、我想使用电压基准进行1.5伏的偏置。

    电压基准能否驱动全部4个放大器? 我会使用 REF2030。

    3.对于6kHz 采样,Δ-Σ ADC 的性能是否优于 SAR?

    使用 SAR ADC 进行仿真时、我意识到电路中的反冲电流可能会导致电路中出现问题。

    谢谢你。

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    您好 Yunsik、

    Ron 是对的、OPA2353在最低频率下的噪声不是很低。 LMP7721可将噪声降低约2dB。

    请记住、U2的噪声增益高达300p/4p7=64。 提供给 U2的+input 的任何噪声都将被该噪声增益放大。 REF2030的噪声约为10µV μ V。 这大约是 U2电路自身产生的一半噪声。 与噪声增益相乘会导致去饱和  

    因此、在任何情况下都需要对 REF2030输出电压进行低通滤波。

    或者您使用47µF Ω 滤波电容器的10k + 10k 分压器? 会更便宜、并且提供的噪声要少得多。

    参考您对 ADC 的问题、这取决于 ADC。 没有简单的答案。 但 SAR-ADC 采样级的电荷回冲应易于处理。

    Kai

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    这是第一级的噪声增益:

    然后再问

    Kai

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    Yunsik、

    必须记住的非常重要的一点是、预期的交流输入信号仅为20fA。 这是一个非常小的信号、因此我建议阅读从这里开始的三个部分文章。  https://www.edn.com/design-femtoampere-circuits-with-low-leakage-part-one/

    由于信号是交流耦合和交流耦合的、因此实际的运算放大器输入电流不是很重要。 运算放大器输入电流噪声可能是一个问题。 来自运算放大器的输入电流噪声或额外的力会获得与所需信号相同的增益。

    由于系统增益非常高、因此布局对于防止任何不必要的反馈路径至关重要。 考虑向第一增益级(TIA)添加更多电源电压滤波。  

    LMP7721具有独特的引脚排列、可帮助进行低输入电流设计。 LMP 电压噪声小于 OPA2353。 LMP 电流噪声0.01pA 看起来高于 OPA 的4fA、但我认为这只是一个舍入误差。 似乎反措施是、较低的 IIB 器件会产生较高的电流噪声。

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    您好 Yunsik、

    它现在是否起作用?

    如果传感器电流实际上最大为20fA、则信号可能会被淹没在噪声中:

    20fA x 10M = 200nV

    10M 电阻器的噪声进行比较

    sqrt (4 x k x T x R x B)= SQRT (4 x 1.38 x 10^-23 x 300 x 10M x 3.4k) x V = 23.7µVrms μ A

    您能否使用具有同步解调功能的锁定放大器?

    Kai