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[参考译文] OPA365-Q1:如何布置高速运算放大器以避免振荡

Guru**** 1109750 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA365-Q1
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/1261274/opa365-q1-how-to-layout-a-high-speed-opamp-to-avoid-oscillation

器件型号:OPA365-Q1

您好!

我根据 从 TI 的相关文档中收集的建议来放置 OPA365-Q1的 PCB。

  1. 良好的电源去耦
  2. 保持反相引脚尽可能小
  3. 移除反相引脚下方的接地。

有关我在运算放大器处的布局、请参阅下图。 U1是运算放大器。 R7和 R15是反相引脚上的分压器。 R8和 R10是同相引脚上的分压器。 C12、C15是其3V 电源引脚上的去耦电容器。 C16和 C17是用于其1.5V 直流偏置的电容器。 红色迹线位于顶层。 蓝色背景是底层的接地。 这是厚度为1.6mm 的双层电路板。

 

使用该板进行实验后、当输入短路时、输出端具有振荡(在10MHz 周围)(这意味着不添加输入信号)。 我的 PCB 布局有什么问题?

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    尊敬的 Xuejun:

    您是否还能分享显示电阻器和电容器值的原理图?

    此致

    阿南特

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    是的、当然可以。 下面是此电路的原理图。 在 R7和 R8之前、有一些元件、但我此时将输入短路。

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    尊敬的 Xuejun:

    在布局中连接在(右侧) R16之后的 C14的值是多少? 除该电容器外、是否有任何元件连接在那里?

    您提到 R7和 R8之前有一些元件会发生短路、 这些组件是什么? 您将哪个节点短路由其他某个组件驱动、还是该节点为高阻态或浮点节点?

    此致

    阿南特

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    Anant、您好!

    我省略这些部分、只是为了使阐述更容易。 实际上、C14未安装电流分流器 R13、并且未安装其相关补偿 Rs 和 C。 R7和 R8输入端的短路节点是悬空节点。

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    尊敬的 Xuejun:

    您可以尝试通过一些方法

    1.可以降低 R15/R10和 R7/R8的电阻值、使比率保持不变。 例如750ohm 和3Kohm、而不是7.5Kohm 和30Kohm。 这应该有助于稳定。 原因是7.5KOhm FB 电阻器以及输入电容将使第二个极点接近8-10MHz。 这可能会导致不稳定、因此将其更改为750欧姆会将第二个极推至 UGB 之外 、因此会有所帮助。

    2.或者,您可以将一个小型反馈电容器(根据您的带宽要求,只有几十个 pF)并联到 R15 (您 可能还需要在 R10上连接同样值的电容器,以保持高频率下的阻抗比相同)。

    此致

    阿南特  

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    Anant、您好!

    感谢您的提示。 我尝试使用20pF 反馈电容器的3k Ω/750ohm 和1.2k Ω/300Ohm。 10MHz 振荡非常顽固,仍然显示它的存在。 有关测试结果、请参见下图。

    • 包含3k Ω/750 Ω 和20pF 电容器

    • 带1.2k Ω/300Ohm 和20pF 电容器

    从测试结果中可以清楚地看到、噪声振幅从+/-5mV 降至+/-2mV、最后降至+/-1mV。 但10MHz 振荡也明显存在。 作为参考、背景噪声也约为+/-1mV、但没有明显的振荡模式。 请参见下图。

    我还能做些什么呢?

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    Anant、您好!

    即使我们仍然在输出端存在一些10MHz 振荡、我也继续使用该运算放大器。

    我想检查运算放大器对输入共模电压的反应。 由于衰减器配置为1:4、我想我具有一些共模电压能力。

    50欧姆电阻信号发生器与输入端相连、采用 峰峰值为 400mV 、频率为 500kHz 的三角波形信号、输出波形如下所示、表现良好、符合预期。

    但是、当我将一节1.5V 电池连接到其反相输入(在 R7之前、不是运算放大器的反相端子)和接地之间时、输出波形会失真、如下所示。

    为了便于参考、下图展示了如何连接一个1.5V 电池。

    我的问题是、运算放大器会出现什么情况。 它的行为是这样的? 我的实验出了什么问题?

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    Xuejun,

    您能否确认这是否是您的设置的正确表示?

    此致

    阿南特

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    Anant、您好!

    否、在 R7和 R8之间添加三角信号、该信号的输出阻抗为50 Ω。 1.5V 电池连接正确。

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    Xuejun,

    连接电池后、能否捕获信号发生器输出端的波形(三角波)? 请在示波器的直流耦合模式下操作、这样我们也可以看到增加的直流失调电压。

    此致

    阿南特

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    Anant、您好!

    我发现并解决了问题。  问题在于发电机本身。 当我添加共模电压并使用单端探头接地尖端触摸电路接地时、发生器输出会失真。 解决方案是使用信号变压器来隔离发生器输出、我的实验中碰巧有该输出。 感谢您的支持。  

    您是否对残余+/-1mVp-p 10MHz 振荡抑制有其他建议?

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    Xuejun,

    我认为这+/-1mVpp 振荡不是由于器件不稳定造成的。 您能否探测 GND 和两个电源(Vcc 和 VEE)、以检查振荡是否也存在?

    此致
    阿南特

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    e2e.ti.com/.../OPA365-test-results.pdf

    Anant、您好!

    测试结果请参见随附文件。 可以。 我注意到 运算放大器顶部1nF 额外去耦 MLCC 上的电压不好。 当没有该1nF 去耦电容器时、电源引脚上会出现像噪声一样的尖峰。 我想左侧振荡是由于电源去耦不良引起的。 但我想知道如何改进这种电源去耦。 我可以看到的一个方面是、使用四层板来减小电路板厚度导致的电感。 对于这个去耦的改进、你还有其他想法吗?

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    尊敬的 Xuejun:

    您可以并联添加多个去耦电容器、例如10nF、100nF、1uF、10uF。 此外、拥有一个良好的接地平面对于 实现最佳性能也非常重要。

    此致

    阿南特  

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    Anant、您好!

    谢谢。 实际上、我想问一下您是否有适用于此类 SOT23-5高速运算放大器的一些成功布局模式。

    此运算放大器出现新问题。 请参阅以下说明。 仅关注波形上的线性斜升部分、而忽略了通带振荡部分。

    我将这款运算放大器采用单端配置、没有1.5V 偏置、使用300ohm/2.4kOhm 电阻分压器作为8:1放大器。 我的输入电压波形如下绿色迹线所示。 如果很好地跟随电流波形(蓝色和紫色迹线)。

    但是、运算放大器输出波形看起来像绿色迹线下方的波形。 所有布线均采用直流耦合。  

    您可以看到、输出迹线从一开始(大约0伏)就有很大的失真、整个过程中都有一些时间延迟(大约170ns)。  

    我在下面1:1无源探头用于这两条绿色迹线。 一次针对输入信号、一次针对输出信号。 输出布线在运算放大器输出端子上连接一个100 Ω 电阻后探测。

    运算放大器会发生什么情况? 我认为这里的压摆率并不大、仅计算出为480mV/3us=0.16V/us。

    失真是否由于运算放大器的缺陷和由于高增益的带宽限制而导致的延迟而导致为零伏左右? 在这种情况下、我可以做些什么来改善?

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    Xuejun,

    R7/R8为300 Ω、R10/R15为2.4K Ω、是否正确?

    此致

    阿南特

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    Anant、您好!

    可以。 请参见下图中的电路。  R9和 C18用于对分流器 R13电压输出进行频率补偿。

    我还尝试了以下配置。 都具有类似的输出限制。

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    Xuejun,

    我相信第一个图中的绿色波形适用于 TP2、您也能为 TP1分享此波形吗?

    另外、您可以使用更高带宽的探头(至少50MHz)和更小的输入电容来捕获 TP1/TP2和输出波形。

    此致

    阿南特

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    Anant、您好!  

    以 TP1为基准在 TP1和 TP2之间探测绿色波形。 以 TP4作为基准、在 TP3和 TP4之间以类似的方式捕获输出。

    我之前提供的信息是误导性的。 对于我尝试过的不同配置、实际上我使用了快速开关、输入波形在接近零伏时振荡、因此输出存在很大延迟。 有关输入、请参阅下图。

    有关输出、请参见下图。

    当我减慢 MOSFET 导通速度时、输入振荡得到抑制。  结合使用 运算放大器配置 作为 1:1放大器、我可以使 输出波形很好地跟随电流波形。 请参见下图。

    所以我应该说这个问题已经解决了。   当其他问题弹出时、我会告诉您。

    非常感谢。

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    肯定的、如果您有任何其他问题、请告诉我