大家好！
我已经设计了一种跨阻放大器、用于检测由光电二极管接收的脉冲信号。 V_APD 是 APD 电源、V_COM 是将在输出端产生偏移的直流电压、PD 是启用/禁用运算放大器的信号。 电路原理图如下所示。
运算放大器供电后、我将电源的2V 直流电压连接到 V_COM、并在示波器上测量(绿色波形)。 不过、当我将探头连接到运算放大器输出端(黄色波形)时、两个信号都开始振荡。 在下面的屏幕上可以看到这种行为。 为什么会发生这种情况？ 探头电容是否会使电路不稳定？ 我应该如何测量信号？
提前感谢、
João ó n Rego
您好、Nick。
感谢您的回复和分享仿真。
我看到了您的仿真、这说明了电路为什么振荡。 探针的电容约为10-25pF、因此、正如您所说、相位裕度甚至更低。 这会导致输出振荡。
我将添加一个隔离电阻器以降低探头容性负载的影响。 1kOhm 电阻应该足够、因为它按照电路设计使相位裕度为54度。
尽管我在 PCB 上使用 BNC 连接器(用于测量50 Ω 阻抗的信号)、但当我尝试使用该连接器时、仍然会发生振荡、因为我必须在 TIA 输出端和连接器之间焊接一根电缆。 当然、这会增加输出电容。
您能帮我解决另一个与本主题相关的问题吗？ 首先、我得到了下面的电路。 在第1级、跨阻放大器后面在第2级中跟随一个反相放大器、增益为100、失调电压与第1级相同。 这个第二级还有一个通带滤波器。 两者都具有与同相输入(V_COM)的相同连接、后者是通过电源或电阻分压器在 PCB 外部生成的。 在这些测试中、我使用了10k Ω 和22k Ω 的电阻分压器、以将电源电压连接到3V。 我还在电阻分压器后使用了一个2.2uF 的电容器、以消除电源噪声。
当我打开电路时、电路一开始就振荡、直到运算放大器达到饱和。 波形如下所示、其中黄色三角波形为 V_COM 引脚、绿色波形为第二级输出(使用50Ohm 电缆测量)、矩形黄色波形为第一级输出(使用10MOhm 探头测量)。 起初、我认为问题是为两个运算放大器的非反相输入使用了相同的连接。 这就是我移除第2级并单独测试第1级的原因。 现在，我认为这与第二阶段的不稳定有关。 你怎么看？
谢谢。
João ó n Rego
您好、Nick。
感谢您的回答。
我在 第一级(TIA)的输出中添加了1kOhm 隔离电阻器、示波器上的信号仍在振荡(下图)。 但在这种情况下、只有 TIA 的输出振荡(黄色波形)、而 V_COM 信号为 稳定的直流电压。 然后、我在输出端使用了10k Ω 隔离电阻器、振荡消失了。 该10k Ω 电阻器可使 TIA 在 APD 接收信号时保持稳定并按预期工作。 我的问题是、如何 设计该隔离电阻器值？ 尽管在使用1kOhm 电阻器进行仿真时系统稳定、但在实验室中却没有效果。
关于第二个主题、我将第二级增益降至1 (将10k Ω 电阻器替换为100 Ω)。 与之前的电路类似、V_COM 处的振荡已消失、但在第二级输出处有振荡。 该信号是使用50欧姆探针测得的。 当我使用1MOhm 探针时、振荡消失、电路工作正常。 您知道50Ohm 探针为什么会出现振荡吗？
我还将反馈电阻器更改为1千欧、使增益为10、电路也可以运行。
我希望我已经清楚地解释了我的问题。
谢谢！
João ó n Rego
您好、Nick。
我测试了增益10 (反馈电阻=1k Ω)、50 Ω 探针仍然出现振荡。 我还添加了一个47欧姆的串联电阻、振荡仍然存在。 下面是第二级输出(粉色)和 IN+输入上的偏移信号(绿色)。
当我添加1MOhm 探针时、振荡 几乎消失了。 实际上、存在一些振荡、但可以忽略不计。 波形如下(黄色：第二级输出；绿色：IN+输入)。 但是、您可以看到、第二级输出电压不等于 IN+输入。 为什么会发生这种情况？ TIA 不发出信号时、它们是否相同？
然后、我再次将增益增加到100、电路出现了与增益为10的电路相同的问题。 然而、初始问题解决了(振荡)。 下面是原理图、其中移除了第二级上的1pF 电容器、并将1nF 电容器添加到与 IN+输入相连的连接器。 目前、这个电路有两个问题：50Ohm 引入振荡、只能用1MOhm 探针测量；第二级输出跟 IN+输入不符。
IN+输入信号通过运算放大器电源 和一个10k Ω 和22k Ω(22k/(22k+10k))的电阻分压器生成。 在本例中、当运算放大器 由4V 电源供电时、IN+输入应为2.6V。 但是、第二级输出的值低于此值。 为什么？
然后、我为电阻分压器提供了不来自运算放大器电源的电压。 我使用了来自电源另一个通道的3V 电压、并将其连接到电阻分压器。 该电压应为2V、但在示波器中为2.5V。 此外、第二级输出的电压高于 IN+输入。
当我移除电阻分压器并将一个 2V DC 值从 电源直接接至 IN+引脚时、我在第二级输出上获得了一个振荡。 这是最奇怪的行为。
扼要重述一下、为何我无法使用50欧姆探针测量输出信号？ 为什么 IN+输入信号是这种奇怪的行为、根据基准、它有一个不可预测的操作？
谢谢。
João ó n Rego
您好！ João
我想确认以下几点：
需要注意的一点是：
OPA858的共模输入范围为0V 至1.4V、比正电源电压(Vs+)低。 因此、如果您提供4V 电源、则最大共模输入电压为2.6V。 当分压器采用4V 运算放大器电源供电时、它实际上会输出2.75V 电压、从而导致超出限值时出现意外行为。
谢谢。
尼克
您好、Nick。
1.目前我正在测试这条电路。 在实验室中、我注意到、移除第二级的1pF 电容器允许我使用增益100。 因此、我将1kOhm 电阻交换为10kOhm。
2.不,光电二极管不提供输入信号。 我测量了 TIA IN+引脚和 TIA 输出(第1级)、它们等于预期值。 我将在连接第一级的情况下测量第二级。 可以说明的是、虽然 IN+和第二级输出的信号没有相同的直流值、但当我向光电二极管提供信号时、第二级输出会对该信号做出反应。 这就是我说电路正常工作的原因。
3.我用另一个50欧姆的探头测试,振荡仍然存在。
4.在我单独测试第一级后,我移除了隔离电阻器。 基本而言、我仅在探测第一级输出的信号时使用它。
实际上、我没有考虑共模输入范围。 因此、我在施加直流失调电压时本应该更加小心。 然而、即使将一个5V 和3V 的运算放大器电源施加到电阻分压器上(IN+输入上为2V)、我也得到了同样的奇怪结果。 黄色波形是第二级输出、绿色是 IN+输入。 我还检查了 IN-输入、电压等于 IN+。
谢谢。
João ó n Rego
您好、Nick。
之前的波形为运算放大器电源为5V、电阻分压器施加3V 电压时的波形。 IN+输入应为2V、但是、运算放大器电源会对其电压输入产生影响。
现在、我为运算放大器提供了4V 电 压、并在电阻分压器上使用了3V 电压(IN+= 2V 时的预期电压)。 但您可以在下面的波形中看到、IN+为2、5V (绿色波形)、第二级输出为2、9V (黄色波形)。
然后、我为运算放大器提供5V 电 压、并在电阻分压器上使用3V 电压(IN+= 2V 时的预期电压)。 但是、IN+现在为2、8V (绿色 波形)、第二级输出为3、9V (黄色波形)。 如您所见、IN+信号电压随运算放大器电源发生变化。
我原本期望电阻分压器会施加 IN+电压、然后第二级输出的电压将与其输入相同。 但是、这不会发生。 运算放大器是否在 V+电源电压下饱和？ 两个信号之间的差值是否因 Vos 增益而存在？
我注意到、如果我为运算放大器提供4V 电压、并直接从电源连接2V 直流电压、电路会变得不稳定。 下面的波形为：黄色是第二级输出、绿色是 IN+电压。 在本例中、IN+按预期为2V。
请注意：电阻分压器连接在 PCB 外部、而1nF (连接到 IN+引脚)位于 PCB 上 、但不靠近 IN+引脚。 这是问题吗？ 我还在数据表上阅读了这篇文章："放大器输入引脚上的过量电容会降低相位裕度、从而导致不稳定"。 我是否应该移除 IN+引脚上的电容器？ 我之所以放置它、是因为来自电阻分压器的电压有一些噪声。 可以在下图中看到我指的是什么。
我使用50欧姆探针进行测量时、使用的隔离电阻器为47欧姆。
谢谢。
João ó n Rego
您好、Sima、
我决定移除 IN+输入引脚上的电容器、将增益更改为10、并在第二级输出端放置一个150 Ω 的串联电阻器。 下面是我的电流电路。 光电二极管与 C9并联(0.7nF)。
然后、我使用50欧姆探针(粉色)测量了 IN+信号(黄色)和输出。 如下图所示、IN+直流电压为预期值(2V)、第二级输出也在2V 左右振荡(由于电阻分压器50/(50+150)、示波器上测得的电压为第二级输出电压的1/4)。
然后、我使用10：1的10m Ω 探针进行探测、现在两个信号都振荡。 您可以在图像中看到 IN+信号下方的黄色和第二级输出为绿色。
我 再次使用了50欧姆的探头 、但为 APD 提供了不同的电压。 现在、第二级振荡与我们之前看到的不同(它有一个大约4V 的振荡、在5V 电源时的最大输出电压)。 之前、我使用了 TPS61391来生成 APD 电压、实际上、该振荡类似于 IC PCB 的输出纹波。
回答您的问题：如果我在 IN+输入端没有电容器、那么直流电压就是电阻分压器的预期电压。 但是、第二级输出会振荡。 当我在 IN+输入(1nF)处使用电容器时、第二级输出 看起来是稳定的、但是、IN+引脚不是电阻分压器的预期直流电压、并且第二级输出具有高偏移。
我认为问题可能出在布局、因为输出下方的平面没有被切断、APD 电源电压是第3层的左电源平面。 这是否足以使电路不稳定？
第1层：
第2层：
第3层：
谢谢。
João ó n Rego
伊格纳西奥、您好！
正如您建议的那样、我隔离这两个级并分别进行测试。 我在电阻器 R11 (TINA 原理图上为100 Ω)上施加了峰峰值为200mV、失调电压为2V 的1MHz 正弦波。 示波器上的此波形为蓝色(具有交流耦合)。 然后、我使用绿色探针和运算放大器输出(黄色波形)测量了 IN+输入(来自电阻分压器)。 如您所见、IN+直流电压为2V、运算放大器输出的增益为-10。 尽管我认为问题是第二级、但这些结果表明电路是稳定的。
因此,我只测试了第一阶段(就像我在 这个论坛的第一个帖子)。 在没有隔离电阻器的情况下测量 TIA 的输出会导致电路不稳定。 绿色波形是 IN+输入、黄色波形是第一级输出。 接好10千欧的隔离电阻后电路变得稳定。
我记得、尽管仿真给出了1k Ω 隔离电阻器的45度以上的相位裕度、但实际上却是无效的。 我 移除了 APD 和 IN-输入之间的隔离电阻器(正如您建议的那样)。 不过、TIA 仍然不稳定。
将1nF 电容器放置在 R1 3.3千欧之前会使 IN+信号不稳定。 下面您可以看到 IN+信号的波形(绿色波形)和使用50欧姆探针的第二级输出的波形(粉色波形)。 基本而言、运算放大器饱和。 这个测试在两个级上都完成。
关于布局、反相输入和反馈下方的所有平面都被切断。 只有第二级输出下方的平面未被切割。 该输出下方的平面是第2层上的 GND 和第3层上的 APD 电压。 该 APD 电压通过 TPS61391和两个电荷泵级生成。 该 APD 电压产生的纹波是使用50Ohm 探针时输出端出现的纹波。
总之、只有当我在其输出端和10M Ω 探头之间放置一个10kOhm 隔离电阻器时、第一级才起作用。 第二级在单独使用时运行良好。 当我使用两个级时、50Ohm 探针会使输出振荡(IN+是固定的直流电压)、10MOhm 探针会使输出和 IN+振荡。 我注意到、如果我在输出端和10M Ω 探针之间连接一个10k Ω 隔离电阻器、电路就会变得稳定。
感谢您的帮助！
此致、
João Rgeo
伊格纳西奥、您好！
非理想输入信号是什么意思？ 当我在连接到运算放大器 IN-输入端的电阻器上施加来自函数发生器的波信号时、该信号在输出端以-10V/V 的增益放大。 我认为输出信号的纹波是来自函数发生器的纹波。
是的、当提供+/-70V 以上的电压时、APD 电容为0.7pF。 如您所说、反馈元件提供的带宽为5.6MHz。
基本上、当我单独使用运算放大器时、只有第一级使用10M Ω 的探头时是不稳定的(使用50 Ω 的探头测量时是稳定的)。 当我使用两个级时、系统不稳定、使用10M Ω 的探头。 使用该探针、输出和信号偏移(IN+)都会振荡。
50Ohm 探针确保系统稳定。 但是、输出会有很多纹波。 在下面您可以看到以下波形：黄色是采用交流耦合的 APD 电源、绿色是基准电压(IN+输入)、粉色是输出电压。 值得注意的是、输出电压的最高峰值与 APD 电源的最高峰值相一致。
谢谢。
此致、
João ó n Rego
伊格纳西奥、您好！
感谢你的帮助。
测量示波器的输出意味着什么？ 可能我没有使用正确的术语。 假设我使用50欧姆探针进行测量时、我使用的是直接连接到示波器且输入电阻为50欧姆的 BNC 电缆。 这是您所谓的测量示波器输出的方法吗？
我注意到、与同相输入端的输入电容器有关的问题是因为该电容器距离运算放大器同相输入引脚太远。 我将这些电容器尽可能靠近同相引脚放置后、纹波就会衰减、输出信号会 来自 IN+的直流电压。 当您从光电二极管接收到信号时、您可以在图中看到 IN+电压(绿色)和第二级输出电压(粉色)下方。 是否可以进一步减少纹波？
该纹波的峰峰值为20mV。 不过、有时此纹波会在没有任何明显原因的情况下增加至60mV。 此外、如果我缩放纹波、会出现大约2GHz 的小振荡。
下面是电流电路。
关于反馈电容器、我将尝试减小它、看看会发生什么情况。
此致、
João ó n Rego
您好、Nick。
我单独测试了第一级、并 将其直接测量到示波器中(50 Ω 输入)。 如下图所示、跨阻放大器能够从光电二极管输出信号。
然后,我仔细看了一下振荡,我看到了大约2GHz 的相同振荡,正如我们看到的,当两级 连接。 这可能是由于反馈电容器600fF、因为考虑800fF 的反馈电容器(600fF + 200fF、来自寄生)、它在仿真时提供43度的相位裕度。
如您建议、我可以减小反馈电容器。 由于我目前没有任何低于600fF 的电容器、因此我进行了实验、以移除反馈电容器并且没有放置任何电容器(只有反馈电阻器)。 如下图所示、2GHz 的振荡已消失。
对于以下电路、我将考虑使用一个大约200fF 和400fF 的电容器、或者考虑在第一级降低电阻器增益。
至于第二级、虽然我之前说过电路是稳定的、但实际上、它会有振荡。 我没有看到这种不稳定的根源、因为稳定性仿真给出了一个稳定的电路。 你有什么建议吗？
谢谢你。
此致、
João ó n Rego
您好！João
如您所见、移除反馈电容器并让寄生电容有效地成为反馈电容器、这样一个较小的值使第一级稳定下来、并按预期消除振荡。 那么、我分离了电路的第二级、然后进行了交流分析。 波特图显示您未使用当前配置实现带通滤波器、
我使用您的滤波器进行了实验、如果我减小反馈电容器以增加通带、或者如果您通过调整反馈电阻器来减小增益、则波特图显示了带通滤波器响应。 我怀疑出现振荡是因为滤波器工作不正常。
我建议使用 TI 滤波器设计工具 来帮助设计符合您要求的滤波器、或者调整您当前配置中的高通和/或低通滤波器。 需要注意的几点：
您好、Nick。
您是如何运行交流分析的？ 我提出这个问题是因为我得到了不同的结果。
对于下面的电路、即第二级隔离、我在1MHz 和10MHz 之间获得了增益为40dB 的带通滤波器。 这是我设计的东西。
同时、 为了帮助我设计滤波器、我将查看 TI 滤波器设计工具。
谢谢。
此致、
João ó n Rego
您好、Nick。
我在实验室里做了一些测试、但我不知道这是否对您有所帮助。
在两级隔离的情况下、我比较了它们的振荡。 如我们之前所见、第一级、无反馈电容器、无振荡。 第二级具有大约1.5GHz 的振荡。 此电路经过修改、具有0.5pF 的反馈电容器。 它仍具有100的增益。
然后、我比较了第2级隔离和整个电路(第1级+第2级)之间的振荡。 完整电路具有约2.2GHz 的振荡、高于隔离的第二级。 它们之间的唯一区别是输出电阻器(150 Ω)的位置。 整个电路(第一级+第二级)的输出电阻器 更接近运算放大器输出。
此致、
João ó n Rego
您好、Nick。
如您所说、我移除了1nF 电容器、并将反馈电阻器更改为1k Ω。 我之前做过此测试、还记得我也遇到了振荡。 在下面的窗口中、您可以单独查看第2级的输出(没有第1级)。 它具有频率为400MHz 的振荡。 由于180欧姆串联电阻器与50欧姆示波器输入相连、信号实际振幅减小了4.7。 如果我在反馈上放置一个电容器、仍然会得到振荡、不过振荡振幅会减小。
输入端没有信号(输入端开路)、因此输出应遵循同相输入、即2.5V 的直流电压。
这个问题占用了我太多的时间、因为我已经有另一个 PCB (具有不同的运算放大器)运行良好、所以我将会处理这个问题。 尽管如此、我仍会尝试使用新的布局和不同的运算放大器来改进此电路。 因此、我想询问您是否有任何运算放大器可以推荐用于替换此 OPA858。
感谢您的支持。
此致、
João ó n Rego
您好、Nick。
我将来自信号发生器的信号应用到第二级、以分别进行测试。 输入信号被-10的增益放大。 然而、在大约 GHz 的频率下、振荡仍然存在。 您可以在第二级输出下方的图像中看到。 之前我已经做过第一级+2级的测试、仍然有振荡。
我之前提到的另一个电路非常好用、它在所有级上都使用了 OPA356。 但是、由于带宽限制、我有2个增益为-10的反相级、而不是只有一个增益为-100的反相级。 该电路的主要限制是噪声值较高、这些值是根据 SPICE 仿真预期得到的。
剩余问题的答案：
谢谢你。
此致、
João ó n Rego
