[参考译文] OPA2691：电流消耗问题

尊敬的 Mike：

您能否共享电路的原理图和/或电路板文件？   

我想验证您的设置；详细信息将帮助我快速评估您观察到的行为。

此电流反馈放大器可输出高电流(190mA)并拉/灌电流。  可以理解的是、在没有负载的情况下、60mA 电流消耗并不是理想值。

请在有时间时发送更新、其中包含更多详细信息。   

最棒的

阿尔茨

下面是我的电路原理图：

在执行静态电流测试时、我断开了负载与 C5和 R3的连接、并断开了 Vin 节点上的输入。  同相输入端子接地。  下面是我设置的试验电路板图片：  

此应用用于驱动带有超级点阵 LED 的硅阵列、因此它将是高电容负载。  我有一个硅芯片的 PI 模型、但是对于这个初步测试、我使用的是 C5和 R3的虚拟负载。

几乎肯定会在电源电流如此高时振荡、输出 RC 带宽限制在53MHz、可能会更高。您可以尝试使用电源引脚上大于200MHz 的路径进行示波器探测、以在那里寻找低电平振荡。  

尊敬的 Mike：

感谢您分享您的电路信息。  Michael 的观点是正确的；请尝试使用他的建议探测电路。  我将更深入地了解您的原理图、并以我的想法进行回复。

最棒的

阿尔茨

我之所以使用试验电路板、是因为创建的 PCB 最初与试验电路板上的电路振荡、因此我尝试在试验电路板上创建一个更基本的电路、以尝试获得更好的结果。  我返回到 PCB、在未连接输入的情况下、电源上消耗的电流约为9至10mA。  电路板上有 SMB 连接器、用于将运算放大器的输入端连接到 AWG、此时电缆连接到输入端和 AWG (但使 AWG 处于关闭状态) 消耗的电流在正电源上跃升至35mA、在负电源上跃升至4mA。  这是由于终止问题吗？

此外、使用非对称电源(可能是+7V 和-3V 之一)为该运算放大器供电是可行的选择、还是该运算放大器需要对称电源？

PCB 原理图：请注意、C19、C22、R20和 R6未组装。  R2和 R4也未组装。

PCB 图片：

当输入端连接到 AWG (同样、未打开)时探测运算放大器的输出、这是示波器上的输出：

输出端有一个大约3.3V 的直流偏移(即使同相输入接地)。  当虚拟接地为0V 并且没有其他直流信号注入电路时、我不确定为什么输出上的信号会偏移。

所有这些测试都是使用+/- 5V 电源完成的。

尊敬的 Kai：

这是我第一次设计高频运算放大器电路、因此我仍在学习、非常感谢您迄今提供的帮助。  使用的 AWG I 具有50R 的驱动电阻、使用的电缆具有50R 的阻抗、并且在 PCB 上、R1和 R3上是与输入串联的50R 电阻器。  我甚至尝试用50R 接地电阻器替代 R2和 R4、但这使问题变得更糟。  当 R2和 R4为50R 时、在未连接输入的情况下消耗的电流为38mA、对于+电源、为3mA。

电缆与 R3的连接松动意味着什么？  我想让50R 电阻器与输入串联将是电缆需要看到的端接电阻、但情况似乎并非如此。  从输入端添加50R 电阻器接地也不起作用、因此我的端接有什么问题？

Mike

因此、我了解了传输线路并处理了我所学类的反射、我能够减小消耗的电流、但不会使其处于静态。  当 AWG 关闭时、+电源上的电流消耗为34mA、-电源上的电流消耗为4mA。  当 AWG 导通时、在+电源上消耗的电流降至20mA、在-电源上消耗的电流为6mA。  因此、我肯定越来越接近、但+电源仍然高于静态电流。  我在电路中找不到任何振荡。  使用手持式 FLIR 摄像头时、我确实看到输入电阻器正在预热、因此肯定会有电流流经这些电阻器、并且它们的温度会像运算放大器一样高。  我将150R 电阻接地连接到输入端、我是否需要更改该电阻器的值？

奇怪的是、昨天我通电时、它上的所有器件都正常工作、消耗的电流大约为静态电流。  今天、它消耗的电流更大。  我知道微小的变化会导致 HF 的巨大差异、但这种不一致性会使我跳变。

尊敬的 Mike：

我在您的印刷电路板上找不到去耦电容 C13、C14、C16和 C17。 请展示您的布局照片。

Kai

下面是电路板的布局：

去耦电容器位于电路板的底层、因此它们尽可能靠近组件。  接地层位于底层(这是一个2层电路板)、其开口处为运算放大器焊盘、如数据表所示。  去耦电容器的值为22uF 和1uF。  我还尝试了一对1uF 和0.1uF、以查看这是否有助于降低电流消耗、但没有。

我想偏置该运算放大器以调节输出信号的偏移、我通过将同相输入连接到1.4V 的直流电压来实现这一点。  不过、我注意到、当正输入接地时、消耗的电流低于静态电流。  我尝试逐渐增大此电压、发现当电压达到300mV 以上时、+电源上汲取的电流将高于静态电流。  我能否通过在同相端子上施加直流电压来偏置运算放大器？  我知道对于电压反馈运算放大器、这是一种可能的方法、但这是我第一次使用电流反馈运算放大器。  同相端子是否必须接地？

尊敬的 Mike：

您也可以使用电流反馈放大器来实现这一点。 由于 OPAMP 的输出电压也会上升、电流流经反馈电阻器到达信号接地、因此+电源上消耗的电流会增加。 不过、请记住、OPA2681具有巨大的输入偏置电流、当您通过电阻分压器生成失调电压时、可能会导致较大的压降。

Mike、我没有看到原理图和布局中的一个大错误、但许多小错误组合在一起也会导致不稳定和奇怪的性能。 µs、您已经像一个(缓慢的)运算放大器那样管理 OPA2619、但不像一个280MHz 运算放大器、它提供2100V/μ s 的超高转换率。 这就使提供帮助成为了一项挑战。

我现在告诉您我将如何改进布局：

所有信号布线都过长。 这尤其意味着从 SMA 连接器到 OPAMP 电路的铜轨。 连接器必须直接安装在 OPAMP 电路上、或至少50R 端接电阻器上。 此外、将两个输入轨道彼此移开、并在它们之间放置一个接地填充、以便连接到具有大量过孔的无延迟接地平面。

而且、反馈电阻器必须尽可能靠近 OPAMP 的引脚。

让我向您展示一个布局示例、我已经为另一个线程绘制了该示例、以启发我的意思：

我要移除 R20、C603、C19、C24和 R24。 和 R21、将其替换为短路。 然后、我将移动最靠近 OPA2691的 R1和 R22。 请参阅上面的示例。 如果您希望通过 R1=50R 端接电缆、则我会移除 R2、否则会出现故障。

我的仿真显示、R22应从140R 增加到300R、R23应至少增加到56R (越多越好)。 此外、直接移动最靠近 OPA2619的 R23 (！！！) OPA2619的输出引脚。 每毫米都很重要！

然后、我会将过孔放置在远离焊盘的位置。 否则、在焊接过程中、焊锡可能会流入过孔、远离焊盘。

我会将所有去耦电容 C13、C14、C16和 C17连接到实心接地层、而不仅仅是 C13。

请注意：当您并联两个陶瓷电容器以进行去耦时、使用不均匀的电容时可能会产生不良的谐振。 其原因是陶瓷高电容器未显示阻尼所需的任何相关 ESR。 因此、数据表建议使用极化6µ8 μ F 电容器(最好的钽电容器)。 钽显示了足够的 ESR 来提供足够的阻尼。 如果您不想使用钽电容器、移除较小的去耦电容器会有所帮助。 但是、如果您将两个陶瓷电容器保持并联、则并联电路在谐振频率下会变得非常高的欧姆、从而完全失去其去耦能力。 猜猜 OPAMP 将以多大的频率振荡...

此外、去耦电容器必须与 OPAMP 位于同一平面上、否则过孔的电感会增加过多的寄生电感。 请参阅上面的示例。

我认为这些是使电路正常工作所需采取的最重要措施。

Kai

同样重要的是在电源电压去耦中使用 π 型滤波器。 在上面的示例中、这是由 C1、R1和 C2完成的。 您还可以向 R1串联一个铁氧体磁珠、然后将 R1减小到几欧姆。 我绝不会在电源电压线路中使用没有 π 型滤波器的 HF-OPAMP！

Kai

并在测试过程中从输入端完全拔下电缆、尤其是在 AWG 已关闭且电缆发送器端未正确端接的情况下。 如果要模拟连接的 AWG、请改为直接将50R 电阻器从 R1的左侧连接到信号接地。

仅当电路运行良好而没有电缆时才连接电缆。 分裂和征服

Kai

Kai、非常感谢、这是非常有帮助的反馈！

π 型滤波器是否还应放置在尽可能靠近电源引脚的位置、或者是否可以更远地放置？  我之所以提出这一问题、是因为我正在尝试设计一个放大板来放大64个模拟信号、所以我想考虑可扩展性。  第一个电路板只是为了获得由1个运算放大器放大的2个信号、然后从此处向上扩展。  如果 SMA 连接器插入到尽可能靠近输入的位置、那么在单个电路板上使用32个运算放大器是怎么可行的？  是否有办法设计电路、以便输入信号可以穿过更长的 PCB 布线、从而使运算放大器布局尽可能紧凑？  例如、我是否可以将 PCB 迹线与输入电缆置于同一传输线路中、并根据该"新"T 线进行端接？

我将首先对该板进行您建议的更改。  我很好奇、因为我的最终目标是为64个信号设计同一个电路。  我知道这会使它变得更加棘手、因此任何建议都将不胜感激！

出现新问题时、 我使用+7V 和-3V 为运算放大器供电、当同相输入连接到高于负电源(0.5至1V)二极管阈值的任何地方时、上电时消耗的电流接近100mA。  似乎 ESD 保护二极管以某种方式开启、或者栅极破裂、我不知道如何或为什么。  同相输入的运行不正常。  这个问题已经发生了很多次、我不明白这是怎么发生的。  运算放大器从未接收到超过30mA 的电流、并且运行时间不超过40-60秒。  因此、我不认为组件会烧毁、因此我对这种情况的持续发生方式和原因感到困惑。  如果有任何帮助、我们将不胜感激！

尊敬的 Mike：

Pi 滤波器应尽可能靠近 OPAMP 安装、而直接位于电源引脚上的电容尤为重要。 π 型滤波器以这种方式安装后、将全局电源线与 OPAMP 完全隔离。 这意味着运算放大器不再在公共电源电压线上相互看到。 使用悬挂在同一电源电压线上的多个高频运算放大器时、必须使用 π 型滤波器、至少根据我的经验。

端接电阻器和 OPAMP 必须尽可能靠近 SMA 连接器。 这就是处理高频运算放大器的方法。 期间()。 任何其他事情都将在灾难中重新出现。  

我建议不要将电缆连接到反馈环路中、而是连接到合适的 HF-OPAMP 的+输入、如下所示：

OPAMP 输入端的输入电压不得超过电源电压、甚至不能短暂超过该电压。 这在加电和断电期间也特别有效。 您可以尝试插入限流电阻器(您的原理图中的 R26？) 以将电流限制在30mA 以下。 但是、在 HF-OPAMP 的输入端添加限流电阻始终至关重要、会导致稳定性降低。

Kai

因此、如果我理解正确、请让输入电缆立即连接端接电阻器和缓冲器、然后从此处将信号路由到电路板上需要的位置？  此外、在原理图中、我假设您使用50R 电阻器并联端接电缆、对吗？

关于同相输入端的偏置电压、我没有施加比负电源更大的电压、它的运行方式是这样的。  这可能是由您之前提到的电路板问题引起的、还是我需要像您说过的那样使用限流电阻器？

尊敬的 Mike：

是的、输入电缆必须立即连接端接电阻器和 OPAMP 输入端。 否则会导致错误、并可能最终产生回声和振铃。 不可以、从这里、您不能简单地将信号路由到电路板上需要的位置。 在 HF 中、每个铜轨都是传输线(无论不需要还是想要)、您必须使用阻抗匹配、至少在发送端。 您可以使用微带或带状线技术对铜轨进行布线：

https://www.protoexpress.com/blog/difference-between-microstrip-stripline-pcb/

https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_line

话虽如此、回声和振铃变得越重要、铜轨越长、信号就越快。 保持简单的最佳方法是完全避免更长的覆铜线迹、并将 HF 运算放大器的输入和输出尽可能靠近放置。

完美的电路将所有 HF 运算放大器紧密连接在一起、以便每个输出与以下输入紧密连接。 使 SMA 连接器靠近接收和发送运算放大器。 如果信号必须传播更长的距离、请使用50R 电缆、该电缆在两端正确端接。

请记住、当 OPAMP 的电源电压突然消失时、C12可以承载一个去饱和电荷。 然后、C12放电到 OPAMP 的+输入中、如果电流不受限制、则会损坏芯片。 因此：如果您必须使用运算放大器进行实验、请勿突然施加或移除电源电压、而是使用能够以有限的压摆率斜升和斜降的电源、 以便电路中的所有电压都可以在不超过电源电压的情况下及时稳定。

Kai  

感谢您提供这些链接、它们非常有帮助！

我按照您的建议添加了限流电阻器、如果没有输入、它将低于静态电流！  但是、我仍然遇到输入何时出现电流跳至高于静态电流的问题。  我认为这可能是因为您之前提到的终止问题。  那么、我有两个问题。

如何测试运算放大器的反馈环路中是否驱动输入电缆以确认存在导致 传输线路成为反馈环路一部分的漏端？

我发送到该运算放大器的最快信号是10MHz。  现在、我知道这不是一个超快信号、但我是否仍应该将其视为高速设计？  即使低于50MHz、我仍应进行您之前建议的更改？