[参考译文] OPA380：光电二极管电流到电压转换

抱歉、随附原理图。  

您好、Hasan、

感谢您的回答。 这篇应用文章非常出色。  

该 TIA 用于放大生物脉冲信号(PPG)。 因此、我不需要太多带宽。 这基本上是一个非问题。 0 - 100Hz 的放大系数。 就足够了。 我计划无论如何将我的信号低通滤波至~30Hz。  

我在这里的主要考虑因素是电源电压、放大和极简。 我想尽量减少成本和布板空间、因此我想知道该 TIA 是否适合我的应用-放大低带宽信号。 TIA 具有出色的失调电压和输入偏置电流规格、但我不一定需要它的速度。 我还想避免使用另一个电压基准、如果可能的话、请坚持使用5V/GND。  

如果您对放大器选择和电路拓扑有专家意见、我们将不胜感激。  

如有以下有用信息、请提供一些额外信息：

我仿真了一个 pspice 中我所期望的示例(随附原理图和仿真)。 我看到我确实获得1/1e-6的增益、或根据需要获得1、000、000。 不过、我的输入电压可能固定在3.3V、因为输入电源电压较高。 这是不可取的、因为它现在从3.3V 轨而不是轨到轨摆动、因此将动态范围减小了~60%。  

您好、Michael、

您的输入电压电平是多少？ 问题是、即使我想为您找到合适的轨到轨器件、您仍然没有动态范围、因为您的输出不能超过电源电压。

随附的 TINA 文件显示了一些替代方案、但它们都需要您更改电压电源或添加负电压电源。 第一个选项需要最少数量的器件、但功耗会更大(尽管可以增大电阻器值以减小此值)。 请告诉我这些配置中的一个是否正常工作。

e2e.ti.com/.../Michael_5F00_Alternatives.TSC

最棒的

Hasan Babiker

谢谢你。 我查看了您的原理图、它们很有意义。 我感觉自己接近最终设计。  

OPA 380似乎是单端电源、因此我认为我无法以+- 5V 的电压运行。 但是、我认为我可以在所附的图表中简单地偏置放大器/光电二极管、它应该能够正常工作。  

此原理图的仿真按预期运行、但现在我是否需要担心输入电压如此接近接地？ 我看到数据表中的一些设计参考电压为0.5V、一些参考电压为接地。 我只需放置一个1/10的分压器、但如果不必使用、我不想使用更多的组件。 我将手动焊接、因此组件越多、误差的空间就越大。  

谢谢、

Mike  

谢谢你。 我查看了您的原理图、它们很有意义。 我感觉自己接近最终设计。  

OPA 380似乎是单端电源、因此我认为我无法以+- 5V 的电压运行。 但是、我认为我可以在所附的图表中简单地偏置放大器/光电二极管、它应该能够正常工作。  

此原理图的仿真按预期运行、但现在我是否需要担心输入电压如此接近接地？ 我看到数据表中的一些设计参考电压为0.5V、一些参考电压为接地。 我只需放置一个1/10的分压器、但如果不必使用、我不想使用更多的组件。 我将手动焊接、因此组件越多、误差的空间就越大。  

编辑：抱歉、附加了错误的原理图。 如果您在发布的前1分钟查看过、则您查看了不正确的内容。 原理图现在是最新的。  

谢谢、

Mike  

您好 Mike、

需要0.5V 输入、以使放大器保持在输出摆幅范围内。 此范围为(V-+ 0.06)至(V- 0.4)。  

我建议查看 OPA810或 OPA365。

OPA810具有更宽的电源范围、因此您可以使用10V 选项。 您可以将 OPA365与上面提供的原理图结合使用、因为输出范围仅与负电源轨相差10mV、而负电源轨应由光电二极管的暗电流提供。  

最棒的

Hasan Babiker

您好、Hasan、

非常感谢您的建议。 我通过与您讨论选项学到了很多。 我认为最好尽可能避免使用10V、因此我想的原理图类似于您在 TINA 原理图中给我一段时间的建议1。  

我查看了您的两项建议、从性能角度来看、OPA365似乎最符合我的要求。 但是 、我担心 OPA 365的最小开环增益、因为我需要120db 的跨阻增益。 我不确定如何从开环增益转换为跨阻增益、因此我认为应选择一个开环增益>=120dB 的放大器、以确保安全。 我发现 OPA 367在性能上(我认为)与 OPA 365非常相似、但它具有更高的开环增益。  

使用该放大器是否有任何缺点？  OPA 365或 OPA 380更可取的原因是什么？ 与 OPA 365相比、OPA 376似乎提供了更大的增益灵活性、并且性能/成本比 OPA 380更好。 我看到的一个缺点是输出仅在1V 至~0V 之间摆动。 我可以通过使用简单的同相放大器添加5V/V 的后放大增益来克服这一问题。 这应该在我的系统的模拟输入上提供5V 满摆幅、同时将光电二极管反向偏置在4V 以提供高光电流。  

我希望很快解决这个问题。 随附原理图和仿真。 我使用1nA 至1uA 的脉冲进行仿真。 输出电压摆幅为1V 至0V。  

再次感谢、

Mike  

尊敬的 Mike：

您是否未尝试实现1V 脉冲？ 借助1uA 的输入和1Mohm 的跨阻增益、您只能使用任何放大器实现1V 的电压。 就跨阻增益的限制而言、这与开环增益无关。 使用较大互阻抗电阻器的缺点是、您将增加噪声并降低设计的带宽。 由于带宽不是问题、因此假设噪声水平可接受、您可以将反馈电阻器增大到5Meg。  

最棒的

Hasan Babiker

您好、Hasan、

我不太担心互阻抗增益恰好是一个特定值。 当我获取光电二极管并在我的身体上进行测试时、我必须对其进行调节、因此1mig 只是一个保守的估算值。 我猜它需要低于1meg、因此我将1mig 设置为上限。  

我希望在第一级获得1V 摆幅、然后使用同相放大器将该级乘以5、以获得5V 输出摆幅。 我选择了 TL9002并对整个电路进行了仿真、结果符合预期：从上次的图中获取、只需乘以 x 5即可。 我会附上目前的结果、但 pspice 现在正在上升。 我所拥有的只是原理图、但您可以接受我的说法、即输出仅为输入的5倍(假设频率小于输出端的40Hz LPF)。  

一切似乎都可以接受、但我有兴趣听到有关设计的想法/顾虑/问题。 如果没有、我将继续进行电路板设计并考虑此问题已解决。  

您好、Michael、

我对您发送的原理图唯一的主要顾虑是在同相输入端增加1V 电压。 如果我没有记错、第一级的输出将从1V 变为2V、而第二级的增益将使 TLV9002尝试将输出驱动至5V -> 10V。 我还想知道为什么您在 OPA376的输出端添加了10kOhm 电阻器。

您是否还添加了 C2来降低 OPA376的带宽？

最棒的

Hasan Babiker

您好、Hasan、

感谢您分享您的顾虑。 我没有机会收到 EE 的设计反馈、因此我真的很感激。

光电流方向将朝向反相输入。 这会导致输出电压下降而不是上升。 我认为、如果光电流方向远离反相输入、则输出电压会升高。 这有道理吗？ 我附加了一个带仿真功能的原理图。 请注意电流方向。 我在原理图中绘制了电流方向和光电二极管方向。  

我不确定10k 稳压器是否有合理的数学理由。 我补充说、它只是为了防止输出悬空、并认为它将以牺牲电流消耗为代价来提高信号稳定性。 在模拟前端的最后一级放置组件是否有"最佳实践"？ 它将驱动输入阻抗为~5兆欧的 ADC (ADS1115)。

是的、C2会降低带宽。 我注意到、~pF 电容器用于在保持电容较小的同时提供环路稳定性。 由于我不关心带宽、因此我增加了电容、使其足够大、从而不会出现稳定性问题。 您可以看到、我无论如何都会将输出滤波至40Hz、因此我不关心带宽。

对这种推理的任何想法/顾虑都值得赞赏。  

最棒的

Mike

您好、Michael、

TLV9002的输入已被 OPA376视为具有5pF 电容的高阻抗负载。 添加10kohm 负载是不必要的、对放大器的稳定性影响最小。 此外、虽然添加1nF 电容器会降低带宽(我将在大约158Hz 的频率进行仿真)、但较大的电容器不会提高稳定性。 实际上、将您的电容降低到 pF 范围将为您提供更好的相位裕度(不过、需要使用此反馈电容器、不应完全移除)。 我对您的设计进行了稳定性分析、并在5pF 负载下获得了大约59度的相位裕度、因此该设计正常工作。  

您知道输入的上升/下降时间是多少吗？  

最棒的

Hasan Babiker

您好、Hasan、

谢谢。 我将考虑相位裕度、并在最终设计之前运行一些仿真。 这对我来说是一个新术语、但根据我可以推断的、它是增益为0dB 时的相位。 稳定放大器的相位裕度高于45度。  

输入信号上升时间为~1ms、但我应详细说明这一点。 PPG 器件每秒脉冲3个 LED 的20倍(每个)。 并测量5ms 延迟后的响应。 一次仅一个 LED 亮起。 我关心的信号是低频(>20Hz)、但 LED 脉冲频率要高得多。我创建了一个使用两个并联电流源的等效模型。 I1表示由血液移动引起的缓慢移动生物信号。 I2表示快速 LED 导通信号、该信号会立即穿透组织并到达光电探测器。 我真的不关心快速脉冲的属性-只有在它稳定后才考虑该值。  

这看起来很凌乱、但这是我在光电探测器输出的示波器上观察到的结果(这仅模拟一个 LED 的影响)。 请注意、慢速移动信号位于移动速度更快的信号之上。 我仅在快速信号打开时采样。 请注意、在现实生活中、生物信号只会在 LED 亮起时(输出电压尖峰降低时)出现。  

谢谢、

Mike  

尊敬的 Mike：

正确的做法是、理论上放大器的相位裕度应高于45度才能保持稳定、但在实际应用中、应高于此值、以便为寄生效应的影响留出空间。

感谢您澄清您的意见。 如果我理解正确、那么输出端的上升时间是否小于1ms 不是问题？ 我问、因为您需要至少350Hz 的带宽、才能在两个放大器的输出端看到1ms 的上升时间。

编辑：如果您有兴趣了解有关放大器稳定性和相位裕度的更多信息、我建议您浏览以下高精度实验室系列：

https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-stability-1?context=1139747-1139745-14685-1138805-13848

最棒的

Hasan Babiker

有道理。 感谢您的澄清。 我一定会查看该资源。 我一直在努力提高我的设计知识。  

我认为输出端的上升时间不会低于1ms 是一个问题。 但是、当我获得电路时、我必须执行一些测试、在这些测试中、我扫描截止频率只是为了确保安全。 有关生物电路的棘手问题在于、它们不易仿真... 我可能会对示波器数据运行傅里叶变换、并查看是否可以找到不同的脉冲/LED 峰值。  

再次感谢所有帮助。 请告诉我您是否有更多想法会让您想起。 如果不是、我认为我们可以将其视为已解决！