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[参考译文] OPA544:模拟 VS 交流 HOWLAND 电流源

Guru**** 686160 points
Other Parts Discussed in Thread: TINA-TI, OPA544
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/867720/opa544-simulated-vs-acutal-howland-current-source

器件型号:OPA544
主题中讨论的其他器件:TINA-TI

大家好、  

我已经有一段时间没有解决这个问题了。  

我希望使用 Howland 电流源将带宽为10kHz 的恒定交流电流驱动到线圈中。 我已经在 LCR 表上测量了线圈参数、这些参数显示在下面的 SPICE 模型中。 我的目标是实现~100mA 幅度的电流。

然后、使用阻抗分析器测量的实际传递函数为:

  

这里可能会发生什么情况? 我已经尝试了一切来增加电路的带宽、但它始终保持不变(改变反馈电容器和网络电阻器)。 我不知道是要试废 Howland、然后再去 一个双向电流源、但这会令人恼火、因为我拥有 Howland 所需的所有组件。  

如果有任何帮助,将不胜感激。  

此致、

Joel。  

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    您好、Joel、

    是否确定 LCR 表工作正常?

    Kai

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    您好、Joel、

    感谢您发帖。 请接受延迟的回复、因为我们中的许多人都在度假。 我们将很快为您提供支持。

    Tamara

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    您好、Joel、

    有了 TINA-TI、我就得到了以下结果:

    e2e.ti.com/.../joel_5F00_opa544.TSC

    请注意、在谐振频率下、线圈会变得非常高的欧姆。 因此、OPA544的输出可能会进入饱和状态、并且可能无法再提供所需的负载电流。

    Kai

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    尊敬的 Kai:

    非常感谢您这么做。 实际上、线圈的谐振频率是一个问题、实际上是~100KHz、我注意到您使用的电容值比我的线圈参数大几个数量级。  

    更实用的注意事项是、在带宽降低方面、该仿真电路与实际实现之间是否存在任何差异? 我无法明白为什么我的实施电路具有小得多的带宽。  

    祝大家新年快乐、  

    Joel。  

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    尊敬的 Kai:

    我应该在上一个回复中说过、LCR 表很好、我们的实验室经常使用它来测试各种线圈、它是 Agilent 4284A。  

    此致、

    Joel。  

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    您好、Joel、

    抱歉、您图片中的数字太小了...

    同样、正如我已经提到的、请记住、在谐振频率下(并且已经低于!) 线圈阻抗大幅增加、OPA544的输出可能会达到饱和状态。 因此、仿真频率响应可能仅对足够小的输入信号有效。

    您确切的输入信号是什么? 频率、形状、振幅? 非常重要的是、您的 OPA544的电源电压是多少?

    Kai  

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    尊敬的 Kai:  

    我本应该使价值更加明确一点,为此表示歉意。  

    我将输入带宽约为10kHz 的17V 高斯波形、该电路提供32V 电压。  

    此致、

    Joel。  

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    您好、Joel、

    我忘了祝你新年快乐!!

    您在 LTSpice 仿真中使用了什么输入信号?

    您能否显示高斯脉冲(脉冲随时间变化)的图片?

    Kai

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    您好、Joel、

    请为我们提供 OPA544电路的较大图像、以便我们了解某些组件连接及其值。 我确实认为 Kai 是 频率峰值的原因、但   如果没有  电路细节、很难进行有意义的计算和仿真。

    谢谢、Thomas

    精密放大器应用工程

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    您好、Thomas、Kai

    我添加了 Kai 电路的修正版本、其中包含了我具有的值以及 Howland 电阻器和电容器值的一些更改。 这是实际电路的更完整版本。 为了澄清一些细节并更清楚地了解我正在做的事情、从另一个器件发送一个高斯信号、然后该信号以电路板接地为基准、经过缓冲和放大。 该信号被馈入 Howland 电流源、然后电流被注入电感负载(线圈)。 仿真中未添加第二个反射线圈、其中再次使用差分放大器测量感应电压。 然后根据电流和电压测量值测量线圈的跨阻。  

    仿真源电压只是振幅为1V 的正弦波、增益现已更改为14.307 (包括初始 IA 增益)。 如前所述、我对10kHz 的带宽感兴趣。 我听从 了以下文件 http://www.ti.com/lit/an/snoa474a/snoa474a.pdf 和 https://www.analogue.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/designers-guide-instrument-amps-complete.pdf 的建议,但如果你有任何进一步的建议,我将不胜感激。 我之前曾认为峰值是 Howland 不稳定所导致的、但在查看电流的交流扫描后、线圈谐振点处有一个峰值:

    电感器和电容器的电流(AM1):

    不带电感器和电容器的电流(AM1):

    不过、这是可以的、因为添加反馈电容器可以抑制它。 但是、我最初的问题是电路的带宽(-3dB 点)明显小于仿真值。 这可能是因为电路实施错误或 PCB 布局问题。 我想我要求在实际植入您可以想到的电路时应考虑哪些因素?  

    如果您需要更多信息、请告诉我。  

    此致、

    Joel。  

    编辑:Kai、"仿真频率响应可能仅对足够小的输入信号有效"是什么意思? 这是指电路增益带宽积吗?

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    您好、Joel、

    第一个增益/相位图中的所有指示 都表明 OPA544 Howland 泵负载是 并联谐振电路的行为。 第二组图显示了一个具有增益峰值的二阶响应、其中没有适当的无功负载。

    我 对电路进行了一些稳定性分析、首先 是无功负载、其次是无功负载、 并在负载上添加了一个 RC 缓冲器(Zobel 网络)、然后在  缓冲器和复杂负载电路上添加了一个负载隔离电阻器。 我将结果包含在随附的字文件中。

    结果与您的测量结果不完全一致、但我认为仿真结果 支持 OPA544 Howland 泵电路可通过进行补偿 、以减少在高频下观察到的增益峰值。

    此致、Thomas

    精密放大器应用工程

    e2e.ti.com/.../OPA544-Howland-Current-Pump-complex-load.docx

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    您好、Joel、

    您的附件因某种原因丢失。 从自动电子邮件通知中提取此文件:

    e2e.ti.com/.../joel_5F00_opa544_5F00_1.TSC

    这是您电路的最新更新吗?

    Kai

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    尊敬的 Thomas:

    谢谢、我将看一下。  

    Kai、很抱歉、我以为我已经附加了该文档、希望它现在显示出来了吗?

    此致、

    Joel。  e2e.ti.com/.../6278.joel_5F00_opa544_5F00_ammended.TSC

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    尊敬的 Thomas:

    感谢您的帮助、Zobel 网络是一个很好的主意。 不过、我有一个问题、隔离电阻器的作用是什么?   

    Joel。  

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    您好、Joel、

    增大反馈电阻器、尤其是 R3 (在我的原理图中)的决定是提高稳定性的好方法。 并且您发现 C2 = 250pF 的性能非常好。 C2=270pF 也是一个不错的选择。

    我现在展示了 TINA-TI 仿真的一些结果。

    频率响应:

    小信号瞬态响应:

    缩放:

    边缘处的振铃来自线圈的自谐振。

    大信号瞬态响应:

    1kHz 时10Vp 正弦输入信号的瞬态响应:

    10kHz 时10Vp 正弦输入信号的瞬态响应:

    且100kHz 时10Vp 正弦输入信号的瞬态响应:

    和 TINA-TI 文件:

    e2e.ti.com/.../1172.joel_5F00_opa544_5F00_a.TSC

    Kai

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    您好、Joel、

    Zobel 网络执行大部分补偿。 有一个高频第二极点、当包含隔离电阻器时、该极点的频率会稍微提高一点。 包括电阻有助于增加相位裕度。  

    我正在查看您和 Kai 之间的通信、其中显示了将电阻器调节得更高并更改反馈电容器的结果。 我更改了 OPA544电路、其中使用了 Zobel 网络、以查看组件变化时它的小阶跃响应是什么样的。 这是我收到的仿真结果:

    Zobel 网络与之前描述的相同、可能需要对新的250pF 反馈电容器值进行一些优化。 波形看起来肯定会更加严重阻尼、因此我不会期望在频率响应曲线中出现太多峰值。

    此致、Thomas

    精密放大器应用工程

    e2e.ti.com/.../OPA544_5F00_-tranz_5F00_01.TSC

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    尊敬的 Thomas:  

    感谢您的回复。 包含缓冲电路的唯一问题是、它会大幅降低线圈本身中注入电流的带宽:

    不包括:

    电路稳定性和线圈电流带宽之间似乎存在折衷。  

    我认为这个问题现在可以称为已解决。 感谢你们的讨论、这非常有用。  

    祝你一切顺利、  

    Joel。  

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    您好、Joel、

    最后两点:

    为了降低 OPA544内的散热、您可以为 OPA544选择较低的电源电压。 +/-25V 应该正常。

    此外、我认为您的电路中不需要 U4和 U6。 还是我错了? 您能告诉我 U4和 U6的原因吗?

    Kai

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    尊敬的 Kai:

    我习惯缓冲输出。 由于 IA 用于测量输入电压、因此不需要 U4。 U6用于防止 Howland 加载同相放大器。  

    此致、

    Joel。  

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    您好、Joel、

    我认为不需要 U4和 U6。 U5能够单独驱动 Howland 电流源。

    Kai