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[参考译文] LMP7718:具有直流伺服功能的 TIA 的稳定性分析

Guru**** 2511415 points
Other Parts Discussed in Thread: LMP7718, OPA320, LMP7717

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/851352/lmp7718-stability-analysis-of-tia-with-dc-servo

器件型号:LMP7718
主题中讨论的其他器件: OPA320LMP7717

我需要一个接近1MHz TIA 的器件来连接光电二极管。  它必须在室内和室外工作、因此我将查看直流耦合、但包括一个额外的运算放大器、无论直流(或低频)噪声如何、它都能保持 TIA 偏置:

(1T 电感器和电容器只是为了断开环路以进行交流分析)。

此设计需要其中的24个(一对光幕)、因此运算放大器成本很重要。   与使用 OPA320相比、使用 LMP7718等未补偿运算放大器似乎更具成本效益。   但是、我怀疑我需要额外的稳定性补偿。

当我执行开环图时、我得到:

自从我为一个生活做这种事情已经很久了,所以如果我问一个愚蠢的问题,请原谅我。   

实际上、相位裕度为61度、至少在增益为零时是开环增益的相位。  但是、请注意、当增益仍然很高时、相位更接近零(41度)。  我不必担心这个问题吗?

我进行了阶跃响应、并看到了大量峰值。  比稳定的输出变化大几倍。

我是否正确地认为我遇到了稳定性问题? 更改反馈电容器似乎不会影响增益仍然非常正的相位裕度、也不会影响发生这种情况的频率。  更改直流反馈放大器中的电容器也不会有太大的变化。

这是一个未补偿的运算放大器、但我看到了与 OPA320非常相似的结果。  如果我使用交流耦合而不是直流耦合直流伺服、一切都是有意义的。  但是、当我添加额外的运算放大器生成的反馈时、我将会迷路。

如果有任何帮助、我们将不胜感激!

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    复制原理图时、我为 T1保留了发射极电阻器。  但是,仍然存在同样的问题。  相位在低于增益变为零时的频率下接近于零。

    "相位裕度"的定义是否应考虑增益大于1时的最低相移(从0度开始)?  而不仅仅是增益为1时的裕度。

    如果我是对的、则需要有关补偿技术的提示。

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    我发现有关补偿 LMP7718的以下帖子:

    https://e2e.ti.com/support/amplifiers/f/14/t/810936?tisearch=e2e-sitesearch&keymatch=OPA277

    使用 Cs 为20p、RF 为100k 时、f 为.56pf   但结果非常相似。  相位在单位增益交叉之前接近0度。

    我缺少什么?

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    我简化了电路、首先重点介绍了为什么我获得非单调相位与频率特性。  事实证明、即使对于 OPA320、我也能在没有直流伺服环路的情况下获得该结果。

    实际上、本文对此进行了说明

    相补角实际上是68.59、还是实际上更接近30度(其中相位最接近零)。

    如果相位图是单调的、在0增益下检查相位是否真正有效?  如果没有、可以解释这一点吗?  如果您必须在增益大于零时将闭合相位视为零、 那么1MHz IR 前置(TI 参考设计)是否存在稳定性问题?

    谢谢!

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    忘记包含 TI 参考设计的 URL (波特图的来源):

    http://www.ti.com/lit/ug/tidu535/tidu535.pdf

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    嗨、Dave、实际上、环路增益相位骤降至-180deg 中频带对于互阻抗而言非常正常-这没有问题、在 LG=0dB 周围发生的情况是设置闭环响应。 在中带、LG 幅度仍然很高、因此 L1/(L+1)仍然接近1。 如图11所示、在最近的一篇文章中、这篇文章还为您提供了一个简单的跨阻补偿流程。  

    e2e.ti.com/.../1768.Applying-High-Speed-DeCompensated-VFAs-July1_5F00_2019.pdf

    您能否使用伺服附加 TINA 文件

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    谢谢您的回复、Michael!

     随附 TINA 文件。  (但是、我不确定文件是否与我使用回形针图标执行的方式兼容)

    e2e.ti.com/.../1-Mhz-IR-Preamp-with-DC-Servo-AC-analysis-7718.TSC

    今天我不能 再花更多的时间了、但明天我将看一下您引用的文章。

    理想情况下、我会在大约1MHz 的频率下使用窄带滤波器。  可能我不需要1MHz 以上的低通- 那里可能没有太多的 IR。  

    我不想添加另一个用于滤波的运算放大器-我需要24个电路实例。  前置放大器的输出将有另一个 PNP 晶体管和 RC、用于1MHz 包络检测。

    但是、我正在考虑使直流伺服放大器电路成为二阶低通。  这样、我就可以在尽可能高的频率下尽可能降低闭环响应的低频增益。  (但在1MHz 时仍然获得所需的增益)。

    您是否认为反馈环路中的额外极点会使补偿不切实际?

    是否有另一种方法可以在不添加其他运算放大器的情况下实现它?  

    我只是尝试检测是否存在1MHz 信号。    现在使用的(Vishay TSSOP6038、但下降到38K Hz)需要10个周期才能实现可靠检测。  这比我可能负担得起的要高、但尝试寻找任何"低悬挂水果"。

    谢谢!

    Dave Thomas

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    哇、对文章进行了"先睹为快"。  它似乎涵盖了具有滤波器应用的 TIA。  太棒了!

    我很期待深入探讨。

    再次感谢!

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    Dan、这篇文章介绍了跨阻之外的 Decomp VFA、 但对于纯粹的跨阻讨论-本演示涵盖了许多您可能需要简化为 简单设计流程(但不是伺服环路-请确保在 ZT 级的补偿中包含晶体管电容)的内容。 伺服环路的设计理念是交流耦合阻断背景光、但如果可能、晶体管 C 需要较低。  

    e2e.ti.com/.../8547.Transimpedance-design-flow-using-high-speed-op-amps.pptx

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    此外、Dan、您可能应该为伺服放大器使用单位增益稳定的运算放大器。  

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    仅运行 ZT 级看起来很好、1MHz 足以满足您的需求-如果太大、您可以增加增益。  

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    谢谢、Michael。

    我有几个问题。  让我们从以下内容开始:

    您的 ZT 级运行看起来很好

    您是否查看了阶跃响应?   

    响应中有很多过冲!

    下面是我使用的.tsc:

    e2e.ti.com/.../1-Mhz-IR-Preamp-step.TSC

    我仍然不清楚为什么在仍然存在大量开环增益的情况下相移接近零不是一个问题。  如果相移在环路增益大于1的情况下一直到零、电路是否会振荡?  如果您同意这一点、那么它与零的接近程度是否表示稳定性、尤其是在环路增益较高的情况下?

    至少有一篇"传统"文章提到、相位裕度是环路增益越过一个时的相位、但由于大多数相位与频率特性都是单调的。 (TIA 是一个例外) 文章没有明确指出、无论增益大于一、相补角实际上是最小的相位、但我认为这正是问题所在。

    ----------------------------------------

    是的、我在您参考的文章和 TI 参考设计中看到了相同的相位曲线。  但是、您是否检查了阶跃响应?  也许我的仿真中有误、但如果没有、这是否看起来相补角不足?

    ----------

    我浏览了您引用的文章。 非常直接、乐于助人。  谢谢!  

    但是、如果我不关心平坦的响应曲线、会发生什么变化?  实际上、低频衰减越大、我的应用就越好。  我只需要一个来检测是否存在1MHz 信号。

    --------------------------------------

    我应该最大限度减小 NPN 晶体管(直流伺服环路中)中的哪个电容?  CBE?  您能否详细说明原因?   

    实际上、我在考虑在直流伺服环路中添加一个极点的位置、以便在反馈中获得二阶滚降响应(因此增益以40db 而不是每十倍频20db 的速率增加)。   一种方法是在 NPN 的发射极上添加一个与电阻器并联的电容。  

    这种情况是否很难(或可能不可能)进行补偿?

    或者、我想保持直流伺服环路以使光电二极管保持最佳直流偏置、并添加交流耦合电容器以在低于100kHz 的频率下提供所需的高通特性。  然后在前置放大器的输出端连接一个二阶无源滤波器。

    请记住、我尝试得到一个大约1MHz 的窄带滤波器、而不是高达1MHz 的平带响应。

    --------------------------------------

    我知道、为直流伺服使用单位增益放大器会更简单。  但是、这将排除 使用双路运算放大器的问题。  这是一个巨大的成本和 PCB 布局。  如果我必须添加另一个放大级来对前置放大器输出进行后置滤波、那么使用单位增益放大器的增量成本不会那么糟糕。  但是、我想首先看看我可以做些什么来获得所需的频率响应、而无需添加另一个放大级。

    再次感谢!

    Dave Thomas

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    我要处理的问题太多、但有几件事、  

    1.仿真在 V+输入端使用电压阶跃、是的、如果您仅在 ZT 输入端使用电流源、则会显示交流耦合峰值、然后因反相源电容而衰减、看起来很棒-  

    2、我想您说过您有很多通道可以构建-使所有 ZT 级双通道 OPA7718和所有伺服通道双通道或四通道单位增益低成本 CMOS 运算放大器。 -不需要太多英镑,而 ZT 则需要这么多英镑。  

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    很抱歉、问题太多。   

    我在+输入端执行了电压阶跃、因为电流阶跃进入电容器不会产生单位电压阶跃、而是产生电压斜坡(由于电容器的集成)。   

    我看到了运算放大器电路中用于步进的正输入、其中 实际电路输入上的电压阶跃零阻抗将影响电路运行。  因此、我认为这是实现它的正确方法(相对于电流阶跃进入电容器)。 否?  使用当前阶跃是否是模拟 TIA 阶跃响应的公认做法?

    很抱歉、不能继续这样做、但我认为我真的需要了解相位为何仅在开环单位增益点很重要、然后我可以为特定拓扑选择不同的组件值以外执行任何操作。   

    --------------

    是的、我需要24个光电探测器实例、但它们彼此之间的物理距离(3英寸)。  因此、在两个传感器之间共享运算放大器封装是不切实际的。   从噪声易感性的角度来看、来回运行3英寸的小信号网是不好的。  PCB 宽度尺寸也有限制。  在处理器和支持电路周围布置每对传感器之间的导线所需的额外空间会导致 PCB 更宽。

    如果我确实必须为直流伺服放大器提供单位增益、我将使用单电路运算放大器。

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    关于在高开环增益下、相位接近零时的稳定性裕度比在单位增益交叉处更接近零的问题:

    https://electronics.stackexchange.com/questions/139846/stability-and-loop-gain-of-negative-feedback-systems

    我看到这两个答案、您确实需要担心在单位增益交叉之前180度的相移、并且不必担心这一点。   

    那么、我想这取决于您听谁的声音?

    总之、这就是我想要尝试阶跃响应作为完整性检查的原因。  但是、在仿真中应用单元步进的正确方法是什么?  不同的方法会产生截然不同的结果。

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    只需提出两个不同的答案:

    在单位增益下检查相位角的概念仅适用于相位与频率间的关系图具有单调性的简单系统、其中假设相位角仅随频率增加、并且只要在单位增益下相位裕度足够、 那么它只能在较低的频率下更好... 任何在某个频率下具有大于单位增益且总相移为360°的系统(包括具有反相放大器和180°相移的系统)都将发生振荡。


    参数的另一面:

    以下解释了闭环(您的示例)为何会保持稳定:如果闭环系统不稳定、这种不稳定点也必须是"稳定"的。 这意味着-要么我们将具有"稳定"和连续振荡、要么输出被锁存在一个电源电压轨上。 在这两种情况下、这种不稳定性是固定的。

    现在-在您的示例中 A 点会发生什么情况? 这里我们有一个上升相位、该相位与此时的负群延迟相同(群延迟定义为负相位斜率)。 这表示闭环系统无法让振幅上升(电源轨振荡或锁存)。 相反、系统返回到稳定的工作点。


    这似乎是一个重要的问题。  当我合成补偿网络时、我只需要担心单位增益交叉频率下的相位、或者它实际上是增益大于1的整个频率范围内最坏情况下的"相位裕度"。

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    回到一个实际的例子,说明它不是"一个假设的问题":

    对于直流伺服环路、包括对直流伺服放大器和 TIA 前置放大器使用未补偿的7718、仅使用2N222 NPN 晶体管(电容不是特别低)、我看到下面的开环频率响应。

    使用单位增益交叉处的相位、相位裕度大于60度。  但是、当增益为45dB 时、相位下降到仅21度。

    使用电流阶跃进入电容器时的阶跃响应被很好地阻尼。  但是、TIA 放大器的+输入端的单位阶跃会产生比稳定输出值大很多倍的过冲。

    此设计是否看起来不错、或者我是否需要更多稳定性分析?   

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    我认为这现在是一个死线程、Michael 提供了一些很好的参考信息。  所以、我将选中"这解决了我的问题"复选框- Michael 可能会得到这方面的肯定。

    但是:

    1) 1)当增益非常高时、我仍然担心相位接近零

    2) 2) 不知道为什么 Michael 说我应该在直流伺服环路中使用单位增益补偿放大器(使用非补偿7718时、开环相位/频率响应看起来像独立 TIA 一样好

    3) 3) 不知道什么 NPN (在直流伺服环路中)电容 Michael 说最大限度地减小电容很重要、也不知道原因。

    4) 4) 不知道尝试通过在直流滤波器环路中添加低通滤波器来获得40db (或更高)低频滚降是否愚蠢。  

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    1) 1)我认为在某些电源系统中、中带相移超过180度时可能会遇到问题。 但是、这种跨阻设计始终可以很好地与中频带骤降配合使用-我的确回答了、LG /(LG+1)是一种考虑不稳定的方法-如果 LG 在 LG=0dB (1)时为-180deg、则分母会爆炸-但是、如果 LG 较大且具有负实数(接近-180deg) 它仍然是一个 LG (LG + 1)术语。  

    2)您应该在 LG 仿真中单独尝试集成级、而是使用直接 C 反馈进行 Decomp 振荡

    3) NPN CCB 电容将(我认为)添加到二极管 C -请查看2SD2226K

    4) 4)您还可以在跨阻后添加一个高通极点作为 C R 级。  

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    再次感谢 Michael 的帮助。  正如我提到过的、自从我完成放大器设计和稳定性分析以来、这已经是很长、很长的时间了。

    1) 1) 我理解您关于 L1/(Lg + 1)的论点。  但在我的脑海中、我想如果信号是反馈、与输出同相并放大、则会发生振荡。  也许 IR 前置放大器电路工作正常、但实际需要(并且具有)比应用所需的稳定性裕度更小。

    我想添加 RC 网络以获得窄带频率响应-仅受开环单位增益交叉处相位裕度的限制要比查看增益大于1时整个频率范围内的最小相位的限制要小得多。  但是、我认为现在是时候对前置放大器输出的频率响应进行调整了(正如您在4中所建议的那样)。

    2) 2) 我按照您的建议执行了操作、我确实看到0 db 交叉处的负相位裕度:

    我想我必须使用采用 SOT23-5封装的 LMP7717 (单个器件)和单位增益补偿运算放大器(如您建议的那样)。  您是否有低成本建议?  

    很抱歉、还有另一个问题。 为什么在包含积分器和 TIA 反馈环路的开环仿真中看不到问题?  

    3) 3) 我想我将首先向添加一个 CCB 电容器、并确定其电路敏感度。  基极具有接地电阻器、因此我认为它不会直接增加总 Cs。  感谢您尝试使用替代器件。  我还将了解一下、与2N2222相比、我是否看到总频率响应/相位裕度存在差异。

    4) 4)是的、我已经这么做了。  如果可以轻松实现、则只需尝试在前置放大器级尽可能降低频率滚降。 但是,这似乎使我"走在人迹罕至的道路上"太多了。  此外、我真的不知道我真的需要多少滚降。  我只是想尽可能多地获得红外遥控芯片、而无需添加有源滤波器。   

    再次感谢您的支持!

    Dave Thomas

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    在我继续完成这篇转换速率文章之前、这里是 Rohm 晶体管模型-它们似乎做得很好、下面的 TINA 文件  

    e2e.ti.com/.../2SD2226K-NPN.TSC

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    谢谢 Michael!

    使用2SD2226K 与2N2222时、闭环或开环交流响应没有任何差异。

    Dave