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[参考译文] OPA2192:输入电压在电源轨附近开始时的阶跃变化响应

Guru**** 681490 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA2192, THP210, TMUX1109, ADS127L11, OPA2140, TMUX1119, OPA192
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/1229223/opa2192-step-change-response-when-input-voltage-begins-near-supply-rail

器件型号:OPA2192
主题中讨论的其他器件: THP210TMUX1109ADS127L11OPA2140TMUX1119、OPA192

您好!

我正在试验在仪表放大器电路中使用 OPA2192 (见下文)。

我们可以看到 OPA2192使用+5V 电源运行。

放大器的标称差分输入电压通常为+2.0V 到-2.0V、但在低至-2.5V (Vin +到 Vin -)时可高达+2.5V。

然而、我一直在试验电路、试图了解边缘情况下的操作。 我已经注意到、当启动输入电压(标有"D")大致相等时 4.2-4.3V 或更严重的是、当我进行阶跃改变时、运算放大器内部发生了转换/踢脚动作、需要20毫秒以上的时间恢复。 下面是一个从+4.8V 下降至+10mV 的阶跃变化的示例。  

在示波器上、放大器的输入标记为绿色的"D"、而  仪表放大器增益级的输出标记为红色的"A"。

如果我以大约+4.2V 或更低的起始电压运行此阶跃变化、我会得到我期望的阶跃变化响应。 在这种情况下、启动电压为+3.8V:

这种行为似乎是对称的。 以下是我从-4.8V 开始并上升到+10mV 时的响应:

以下是所需的响应、从-3.8V 开始直到+10mV:

诚然、模拟电路并不是我最强的技能、但是、正如数据表中所述、我似乎处于"共模电压范围"(VCM)之内、因此我对看到这种行为感到有点惊讶。

当我接近导轨0.7V 时、好像保护二极管发生踢腿或其他动作?

我唯一倾向于了解情况的是数据表的第8.3.6节、其中讨论了共模电压范围和"转换区域"。 我看到的是192个区域之间转换的工件吗? 我的电路中可能存在仪表放大器差分电压大于4V 但小于5V (仅持续几毫秒)的情况。 我认为这不是正常操作、但是、令人担忧的是观察到的20个奇数毫秒的恢复时间、因为这会给我在电路运行中的时间预算带来问题。

更大的图片、我是否可以忽略使用这种具有0->+5V 电源的运算放大器的情况?通过上面列出的用例、我仍然希望通过上面列出的方式满足所有已发布的规格(+/- 2.5V 范围内的正常差分输入电压、 由于偶尔会在某些错误状态下出现"近轨"输入、我需要运算放大器及时恢复(亚毫秒)?

感谢您对此提供的帮助。

  • 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。

    您好、Adam、

    电路有可能超出其线性范围。  

    在上述电路中、OPA2192双放大器输入级采用差分放大器配置。 OPA2192增益级包含两个放大器。 因此、电路设计人员必须考虑电路中每个放大器的输入范围和每个放大器的输出摆幅范围。   

    当观察2放大器仪表放大器级、例如上面电路上的双路运算放大器时、定义整个仪表放大器电路的输入共模和差分电压会有所帮助:

    • 共模电压-对于整个2放大器仪表放大器级-可被定义为施加到两个输入上的平均电压。 因此、例如、如果 Vinp = 2.505V 且 Vinn = 2.495V、共模电压为2.5V (即 Vcm =(2.505V + 2.495V)/2 = 2.5V)。 在确定线性输出范围时、共模电压至关重要。
    • 对于整个2放大器仪表放大器级来说、差分输入电压是电路中两个输入之间的差值。 因此、例如、如果 VINP = 2.505V 且 VINN = 2.495V 该差分电压为10mV (即、VDIF = 2.505V–2.495V = 10mV)。 图1显示了如何将共模和差分输入电压建模为三个电压源。 请参阅下图:

    每个放大器 U1和 U2的输出摆幅受电源电压的限制。 例如、如果查看上图中的放大器 U2、根据 OPAx192数据表、输出摆幅限制为距离电源轨110mV (负载为10k)、因此输出电压摆幅限制在大约+0.110V 到+4.890V 的范围内。 注意:输出摆幅会随负载和温度的变化而变化、因此允许裕度是一种不错的做法:

    在该电路中、双路运算放大器仪表放大器的增益(G)为 G=201V/V  

    在上图中、VCM=2.5V 且 VDIF=10mV、电路处于范围内、其中 U2的输出为 VOA2 = VCM + G (VDIFF/2)=~3.505V、 其中 U1的输出由 VOA1 = VCM - G (VDIFF/2)=+1.495V 给出、 两个放大器都在+0.110V 至+4.890V 的允许线性输出摆幅范围内。

    总之、有效输入范围是电源电压、增益、最大/最小差分输入电压和输入共模电压的函数。

    例如、如果我们假设应用所需的最大/最小差分电压为±10mV、并且电路设为 GAIN=201V/V 和+5V 单极电源、那么只要输入共模电压处于以下范围之内、前端就将保持在线性范围内:+1.115V < Vcm <+3.885V。

    确认线性范围的一种简单方法是执行直流扫描仿真并检查输入级在范围内的位置。  或者、您可以使用上面的公式检查范围。  

    TINA 仿真、OPAx192级、假定差分输入为+10mV、G=201V/V、单极+5V 电源:

    Question:

    -在上述电路的输入中预期的最大/最小差分信号 Vinp-Vinn 信号是什么?

    -在 THP210上,什么是 VOCM 引脚(VCMB)电压?   

    我们确认检查了电路、然后让您知道最大和最小共模电压范围是多少。

    谢谢、此致、

    路易斯

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    Luis,

    感谢您提供的详细及时的回复、非常感谢!

    我最近被拉走了,在工作中发出另一个"火",但想在我真正深入到你的回应之前花时间回答,希望在几天内。

    我需要说明的是、在上面的电路中、R113增益电阻器在我们的设计中不固定为100。 而是使用 TMUX1109来设置运行时的增益:


    我试图在原来的帖子中保持信息的简洁性,以避免信息过多。


    因此、要回答您有关上述电路输入预期差分电压的问题、我们预计在正常运行期间会出现以下情况:

    当使用100 Ω 电阻器将增益设置为201时、VinDiff = 10mV 最大值。

    当使用1k 电阻器将增益设置为21时、VinDiff = 100mV max。

    当使用20k 电阻器将增益设置为2时、VinDiff = 1V max。

     当没有使用增益电阻器将增益设置为1时、VinDiff = 2.5V 最大值。

    至于给定增益配置的最小差分输入、说起来很困难。 从概念上讲、它可以降到零。 当然、用户需要选择与预期读取的电压成比例的增益范围、以最大限度地提高信噪比。

    关于 THP210的 VOCM 引脚、THP210由 ADS127L11提供、由该引脚进行驱动。 以下内容基于以下应用手册的指导:
    驱动 ADS127L11的 THP210 (TI.com)

    在这种情况下、 VOCM 为标称值2.5V

    在上图中、增益设置为201、增益电阻为100欧姆。 当然、我承认这是异常/错误情况、但启动 差分输入电压处于4.8-4.9V 范围内、在我们执行阶跃更改以使电路恢复到正常的最大输入电压之前、尝试使电路恢复到我们所需的正常工作条件。

    最初的问题实际上源于试图理解我观察到的~20-30mS '覆盖时间'。

    感谢您提供图表。 这有助于更清楚地描绘运算放大器在电源轨附近的行为方式。  

    在我发布此问题之前、在观察此行为之后、我们开始尝试使用额外的电路来钳制输入、以避免在输入电路中出现3.0-3.5V 及以上的差分电压。 似乎我们需要这样做、但仍想了解放大器内部的情况、它需要20-30mS 才能"恢复"。

    谢谢!

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    您好、Adam、

    只要电路中的两个运算放大器都置于共模和差分线性范围内、并且在任何时间点都未违反绝对最大额定值、并且电路设计为具有良好的相位裕度的稳定状态、我就希望电路快速恢复。

     模拟开关/多路复用器将存在与开关相关的寄生电容和 RON 电阻。  电容在10皮法范围内。 例如、TMUX1119指定每个开关的源极关断电容为6pF、导通电容典型值为20pF。  运算放大器对连接到运算放大器反相输入端子(IN-)的电容非常敏感。  因此、检查稳定性并相应地补偿电路非常重要。   如果您想查看原理图中的稳定性内容、请提供最新的。  上面的原理图显示了 OPA2140和 ADG2140、但请告诉我这是否与 OPA2192和 TMUX1109所使用的电路相同。  在较低增益下、电路往往对电容特别敏感。

    谢谢。此致、

    路易斯

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    感谢您指出 Luis。 原始电路配有 OPA2140和 ADG1409、这是我目前拥有的原理图的唯一正式/数字副本。 我们很快就发现了5V 电压轨、这些部件不是最佳的。 因此、我更新了我的硬件、将 OPA192用于仪表放大器缓冲器、并将 TMUX1109作为模拟多路复用器、这是我一直在观察到此帖子中所述行为的硬件配置。

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    Adam:

    加上我的几分钱、您会说:"我已经注意到、当起始输入电压(标有"D")大致相等时  4.2-4.3V  或更大的是、当我进行步进调整时、运算放大器内部发生了转换/踢脚动作、需要20毫秒以上的时间才能恢复。"

    由于下面显示的"D"是差分输入电压、因此您的输入共模 VCM 是多少?  如果 VCM 为中间电源(+2.5V)、这意味着施加4.3V 差分电压实际上会将 Vin+或 Vin-驱动到2.5V+/-4.3V 或+5V 单电源上的-1.8V 或6.8V。  因此、这种情况会驱动引脚3或引脚5超过电源轨1.8V、从而正向偏置输入引脚和每个电源轨之间的一个 ESD 保护二极管。   

    这种总 输入电压过驱会由于可能的锁定情况而导致20ms 的恢复时间、因为它远远超过下面所示的0.5V 最大额定电压。  此外、如果输入电流不限于10mA 或更低、这种情况可能会导致 ESD 保护二极管损坏。