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[参考译文] TLV3404:压电元件// 2级运算放大器设计

Guru**** 1123240 points
Other Parts Discussed in Thread: TLV3404, TDC1000, TLV9002, OPA348, TLV3012, TLV8811, TLV8802, LM6134, TLC272
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/679706/tlv3404-piezo-element-2-stage-op-amp-design

器件型号:TLV3404
主题中讨论的其他器件: TDC1000TLV9002OPA348TLV3012TLV8811TLV8802LM6134TLC272

您好!

我们正在使用压电元件进行设计。 此压电元件(长电缆)在触发时(例如由汽车通过其驱动)生成输出。 压电式输出必须实现数字化、以便能够作为处理器的中断进行服务器处理。 为此、我想使用2个运算放大器。

第一个运算放大器放大压电信号、第二个运算放大器是比较器。 第二个运算放大器的输出被馈送到处理器中。 对于运算放大器设计、需要考虑以下因素

  • 压电传感器电缆:
    • 输出电压在20和50 MVS 之间变化
  • 运算放大器低功耗- TLV3404 (低功耗运算放大器是关键、因为它应该能够依靠电池运行)

由于压电式电缆是单独的传感器、我不确定输入偏置电流路径如何运行。 下面绘制了一张快速草图。 由于我不是运算放大器设计人员、我希望您能为我提供一些指导或技巧、帮助我使该设计正常工作

非常感谢!

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    草图

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    您好 Jeroen、

    您是否有压电电缆数据表的链接?

    我仍然会向第一个 OPAMP 的输入添加保护和滤波方案。

    顺便说一下、TLV3404是一款四路比较器。 它不是 OPA放大 器。

    Kai
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    您好 Jeroen、

    如果您可以提供有关设计目标的更多信息、那将会很有帮助。 例如:
    *可以接受多少功耗?
    *压电输出是否最大介于20mV 和50mV 之间、或者是否存在所有信号的范围(基本上所有信号都经过电流调节至35mV)?
    *您希望压电式提供哪种类型的输出信号? 脉冲、正弦波等
    *比较器级的阈值电压是多少?

    增益为100可能会根据您的电源电压(假设由于电池电源而为低电平)而起作用、但如果您将50mV 放大100、则会在输出端碰到电源轨。 我建议进行20到40之间的放大、这将为您提供更合理的输出电压范围、而不会达到放大器的非线性区域。

    如果您可以提供更多详细信息、我们应该能够进一步帮助您进行设计。
    保罗
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    Jeroen

    在我的超声波时代、我们开发了一种称为 TDC1000的产品。  由于该产品用于多种应用、因此它能够激励压电传感器并接收信号。  听起来您只是在麦克风模式下使用压电式、不会令人兴奋。  如果是这种情况、则仅产品的接收部分相关。  tlv3404是一款四路比较器、因此单凭此并不能满足您的要求。  请向那些监控此帖子的人员说明他们是否对压电传感器施加了任何激励以及可用的电源电压。

    卡盘

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    尊敬的 Kai、Paul、Chuck:

    非常感谢您的反馈-以下是一些其他信息:

    • 压电传感器是一种长元件(PVDF)、可放置在街上
    • 压电式传感器为2米、外加一根同轴电缆、用于将其连接到我的测试系统
    • 在我的测试中、我仅将传感器用于自行车
    • 当自行车通过压电传感器时、输出约为20 - 50mV (取决于重量、速度等)。
    • 当没有自行车通过压电式时–输出约为0mV
    • 下面的波形示例(这是一辆车!) –另请参阅 http://www.te.com/content/dam/te-com/documents/sensors/global/TE_SensorSolutions_RoadTrax-BL-Piezoelectric-Axl-Sensor_SS-TS-TE600.pdf

    Δ I Kai–@器与 OPA。 如前所述、我不是运算放大器专家、但对于这种情况、我不能同时使用 TLV3404作为比较器和 OPA? (AFAIK 它们的优化不同(??))

    • 运算放大器设计的功耗–在“监控”压电传感器时最大电流范围为 uA
    • 我的处理器休眠电流大约为1uA。 当由电池供电时、系统在 mA 范围内运行以实现功耗是不可实现的
    • 电池供电–电压3.6V
    • 比较器阈值- 2V (但当使用较小的增益时、我们可以降低阈值)。 高于20mV 的压电式输入应触发比较器

    @Paul–增益为20–40更有意义(并降低比较器阈值)

    Jeroen

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    您好 Jeroen、

    我建议您查看适合您应用的 TLV9002等器件。 它具有相当低的功耗、并且带宽应足以满足压电体产生的脉冲持续时间的要求。

    将比较器阈值设置为更低(可能约为0.5或0.7V)也是一个好主意、因为您使用的是单电源、而2V 高于中间电源、这可能很难处理接地基准信号。 您选择的阈值还应基于系统噪声、因此如果您的输入信号噪声很大、则可能需要提高一些噪声。

    此外、不建议将比较器用作放大器。 它们的优化方式不同、您不会获得所需的行为。

    我随附了 TINA 原理图、供您查看使用40增益的情况。 20mV 信号和50mV 信号均超过750mV、并且我提供的脉冲是一个非常快的脉冲。 脉冲越长、系统的性能就越好。

    最棒的

    Paul

    e2e.ti.com/.../TLV9002_5F00_Piezo.TSC

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    您好 Jeroen、

    基于 Paul 建模的压电信号、如果已经创建并模拟了以下电路:

    它使用另一个运算放大器 OPA348。 选择 TLV3012作为比较器、因为它包含稳定的电压基准、这对于设置电池供电应用中的比较器阈值可能很有用。 该电路针对极低的电源电流进行了优化。 运算放大器的增益(因数40)是通过 Paul 的仿真得出的。

    电路的输入端有一个1M 电阻器、用于为运算放大器的输入偏置电流提供接地的电流路径。 两个反向并联二极管用作输入保护。 R9在过压事件中限制输入电流。 增加了 C2以实现稳定性。 它提供相位超前补偿并恢复相位裕度。 TLV3012可生成稳定的电压基准1.242V。 高欧姆分压器用于产生大约0.62V 的阈值电压、该电压范围为0.5V 至0.7V、这是 Paul 建议的。 C1用于稳定阈值电压。  

    Kai

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    尊敬的 Kai:Paul:

    我对设计建议印象深刻//似乎是一个很好的解决方案。 对此有一些疑问:

    1. 总功耗约为50 (uA)。
      1. 这还可以、但比我想象的要好(希望低于10uA)
      2. 因此、我想知道是否可以使用其他毫微功耗运算放大器、如 TLV8811、TLV8802、TLV340、TLV 8541等(与 TLV3012或 TLV340x 等比较器结合使用)

    2. 我始终会看到具有不同值(小值(kOhm)或大值(MOhm))的运算放大器增益。
      1. 您知道这种低功耗运算放大器设计的设计标准是什么、或者它通常是什么?

    @Kai -是否可以向我发送 TINA 文件?

    让我们看看我们是否可以使该设计正常工作(将使您保持2个最新状态)。

    谢谢、

    Jeroen

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    您好 Jeroen、

    我认为您对电路有了良好的开端。 换用较低功耗的器件应该可以、但请注意、一旦您更清楚地了解输入信号的类型、您可能会对某些带宽进行折衷、并且您将看到您的电路将需要哪种类型的带宽。 我已经通知了低功耗放大器团队、希望他们能听到蜂鸣声并提供一些指导。

    对于您的第二个问题、我不太关注您的问题。 器件周围电阻器的数量级会影响电流消耗、稳定性以及输入偏置电流等非理想运算放大器特性的影响。 通常、对于反馈电阻器、千欧是一种合适的尺寸范围、可平衡这些类型的问题。 我建议查看 TI 高精度实验室第2部分(training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-vos-and-ib )、以了解运算放大器的一些非理想特性的良好起点。 本系列的其余部分包含出色的内容、可帮助您了解带宽(第5节)和稳定性(第10节)。

    最棒的
    Paul
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    您好 Jeroen、

    首先,当我看看保罗提出的计划时,我认为应该能够使用一个供应电流低得多的运算放大器。 但我错了! 如果您采用此类超低功耗运算放大器、则不会获得处理压电信号所需的单位增益带宽和压摆率。 至少1MHz 的单位增益带宽似乎是必需的。 因此、最快与 Paul 的 TLV9002一样并且同时消耗的电源电流更少的唯一 OPA348是 OPA348。 所以、我完全同意 Paul 的说法。

    您可以看到、我使用了相当高的电阻值、以便能够节省电源电流。 但是、额外的增加不会大有帮助、因为 OPA348的空闲电流消耗的电源电流最大。 使用高反馈电阻的结果是、您必须采取一些措施来再次提高稳定性。 这就是需要 C1和 C2的原因。 在反馈电阻低得多的设计中、可以省略这些电容器。

    e2e.ti.com/.../jeroen_5F00_piezo.TSC

    Kai

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    尊敬的 Kai:Paul:

    感谢您的建议和提示。 现在、我的所有问题都得到了解答、我将在周末构建设计。
    我非常感谢您所做的一切努力-继续保持这一良好的工作! 让你知道它的工作时间:-)

    Jeroen
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    如果压电式处的脉冲为4uS,那么带宽是否足够?
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    在这种情况下、输入信号是小信号(~20mV)、因此您受到器件带宽的限制。 对于1MHz 器件、4us 速度太快、10MHz 及更高频率将是更好的选择。 一个脉冲至少需要3次谐波、而具有5次谐波会更好。 这意味着4uS 为250kHz、谐波为750kHz 和1.25Mhz、并且具有前面的文章中所示的高增益(~40)、因此您可以看到需要更高的 GBW 产品。

    保罗
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    尊敬的 John:

    你是 Jeroen 吗?

    Kai
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    不是、我不是 Jeroen、感谢 Paul 的快速回答
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    尊敬的 Kai:Paul:

    在创建测试 PCB 之前、我已经在试验电路板上构建了测试设置。

    为了测试第一级运算放大器并检查压电信号、我使用了 LM6134 (在 DIP 封装中没有提供)

    我在勺子上注意到的两件事(见下文)

    1>压电信号在按下时看起来更强、并且更加对称、因此最后我可能希望使用更小的增益

    2>将压电输入以增益10 (100k / 10k)和 VCC 3.6 (V)馈送到 LM6134 (PIN3)-> 我的偏移约为480 (mV)

    那么、您可能有一些想法、480 (mV)的来源是什么、最好的方法来实现它?

    Rgds,Jeroen (不是 John :-))

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    您能否直接(在放大器链之前)测量压电式的输出信号? 运算放大器的输入端存在多大的直流失调电压? LM6134具有2mV 的最大失调电压、因此由于运算放大器本身的原因、我只能期望大约20mV 的直流失调电压。

    保罗

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    您好 Jeroen、

    LM6134不是 CMOS 运算放大器、但在输入级中具有双极晶体管、从而产生强的输入偏置电流。 该输入偏置电流会在与压电体并联的1M 电阻器上产生较大的压降。

    Kai
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    尊敬的 Paul、Kai:

    仅测量压电体时的失调电压为0 (mV)-请参阅下图。 因此、失调电压(imho)来自 LM6134。

    Kai、您提到使用的运算放大器产生的输入偏置电流过大(数据表显示"典型值110 (nA)"-超过1M 电阻器、这是110 (mV))、这确实是我看到的(在高于480 (mV)的情况下、使用了更大的电阻器)。

    您有没有建议我可以使用哪种运算放大器来测试整个电路(仅用于试验电路板测试 DIP 封装/无 SMD 请:-))

    Jeroen

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    您好 Jeroen、

    为什么不采用 OPA348? TLC272也应该用于首次测试。 这也是一个具有低输入偏置电流的 CMOS 运算放大器。

    Kai
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    尊敬的 Kai:

    不使用 OPA348的原因很简单、因为它不采用 DIP 封装。 我只能在创建 PCB 原型板之前使用试验电路板。

    (可能是个愚蠢的问题、但是否有其他方法可以测试非 DIP 封装?)

    TLC272采用 PDIP 封装、因此这是一个我可以用来测试的封装。

    谢谢

    Jeroen

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    您好 Jeroen、

    要在试验电路板上使用 SMD 器件、请将极细的铜线直接焊接到 SMD 引脚。 使用大量助焊剂、将焊铁的温度降低到300°C、用铁接触 SMD 引脚的时间非常短。 然后、将这些非常细的导线的另一端直接焊接到 SMD 引脚应连接的电阻器导线和电容器导线。

    还有一些适配器板可携带 SMD 器件并将 SMD 信号导入焊接端子:

    www.breadboard-adapters.com/.../SOIC8-adapter.html

    Kai
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    我认为我更喜欢适配器板//只订购了一组。 感谢您提供此信息。
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    接收到适配器、并使电路与 OPA348和 TLV3012一起工作。 压电信号检测进展非常顺利。已将输出直接连接到微处理器、并接收信号。

    但是,有一个问题我没有找到解决办法。 在对振荡器进行测量后、我发现当输出(比较器)从低电平变为高电平时、前50个 USC 信号会抖动几次。不确定要消除这种情况、最佳测量值是多少?

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    您好 Jeroen、

    您可以添加一些迟滞:

    Kai

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    感谢 Kai、他做到了! 输出中不再有摆幅