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[参考译文] THP210:电流到电压差分放大器的稳定(具有20kHz 带宽和+25dB 的通带增益)

Guru**** 2582405 points
Other Parts Discussed in Thread: THP210, TINA-TI

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/1279783/thp210-stabilisation-of-a-current-to-voltage-differential-amplifier-with-a-20khz-bandwidth-and-a-pass-band-gain-of-25db

器件型号:THP210
主题中讨论的其他器件: TINA-TI


上下文:
我们的应用是对距离放大器电子设备数米远的压电式水听器传感器发出的信号进行放大。 传感器的充电灵敏度为3.15pc/Pa
我们使用了 TI-TINA 对其进行仿真。
传感器的等效模型是与18nF 电容器串联的电压源、使其成为不断变化的电荷源。
然后、将差分 THP210放大器配置为电流到电压放大器(馈送到我们 ADC 的差分输入)
运算放大器的通带差分增益为2 x C3/C2 = 2* 18nF/2nF = 18V/V (或+25dB)
反馈元件 C2和 R2共同决定了低频滚降频率(1.59Hz)
在实际应用中、输入电缆会具有电阻、该电阻会与 C3合并、以确定高 频滚降
我们只对高达20kHz 的放大信号感兴趣、因此我们对放大 器的频率响应下降到该值以上感到高兴。 可以添加额外的输入电阻来对其进行微调。

问题:
我的问题是、该放大器是否稳定(以及裕度如何?)
如果不稳定、则 需要向反馈环路添加哪些补偿元件来使其稳定?

我们发现的在线示例似乎都是指稳定电压放大器、而不是"电流到电压"放大器、因此我们不清楚所需的分析。
例如、在 TI-TINA 中、波特图与电压源相关、而不是与18nF 电容器输出端的电荷相关。 因此、相位图从-90开始、然后下降至-233。
我不能确定这是否意味着"实际"相位只从0下降到-143、所以当增益>0dB 时、它永远不会接近-180、所以它始终是稳定的?

高于1MHz 的运算放大器的行为看起来非常奇怪、其中增益峰值突然变化、导致相位回零。 这是否指示了振荡?
谢谢!

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    Nicholas

    您认为此电路存在稳定性问题是正确的。  下面是一个 PDF、其中包含原始电路以及经修改的稳定电路的仿真摘要。  此外、下面列出了仿真文件。  请告诉我、您的应用是否可以接受这些修改。  

    e2e.ti.com/.../stability-of-THP210.pdf

    e2e.ti.com/.../thp210-stability_2D00_modified_2D00_circuit.TSC

    e2e.ti.com/.../thp210-stability_2D00_origional_2D00_circuit.TSC

    e2e.ti.com/.../thp210-transient_2D00_origional.TSC

     e2e.ti.com/.../thp210-transient_2D00_modified.TSC

    此致、

    艺术

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    尊敬的艺术:
    出色的工作。 谢谢你。
    我现在看到了您 是如何在 TINA-TI 中执行开环和瞬态测试的、而不是我施加电压源的方式、该电压源只向我展示了闭环响应。
    我还(最终)弄清楚了你是如何通过后处理器函数对话和 AOL/LoopGain 来绘制(1/β)的。

    如果我了解了您已经完成的操作、稳定性调整纯粹是为了增加 输入的电阻(在 PCB 上引入固定值电阻器、以添加传感器和电子设备之间电缆的较小固有电阻、从而使总电阻 高达500R)、 从而修改输入 RC 时间常数、这本身会修改环路增益。

    我认为最终闭环系统响应现在看起来是这样的...

    因此、低通滤波器转角频率现在看起来为1/(2xPIx18nFx500R)= 17.6KHz、这 应该 适合我们的 应用

    从量化修改后的电路表格的角度来看、当环路增益为0dB (在8.66Mhz 下)时、您的图形似乎显示环路增益的相位为+58.29度、表示相位裕  度为58.29-(-180)= 238.29度(即其高于-180的距离)、所以它是稳定的(即>45度)?
    到环路增益的相位达到-180度(2.74Ghz 时)时、环路增益幅度为-151.54dB、这 意味着 大增益裕度为151.54dB、这也表明它非常稳定?
    您能否确认我的 解释是正确的、尤其是我对相位裕度为 238.29度的理解。

    再次感谢您的参与。

    此致、
    尼古拉·李

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    Nicholas

    您对带宽和整体电路决策的理解是正确的。  但是、需要调整相位裕度的计算。  当电路处于极低频率时、电路处于最大增益状态、反馈为负(180度输入/输出相移)。  随着频率逐渐增大、反馈相位开始偏移。  如果反馈相移变化180度、则反馈为正极、电路将振荡。  相位裕度是指180度相移之前的裕度。  因此、如果相位始于180度、则相位裕度就是相对于零点(在本例中为58度)的相移。  我们建议相位裕度至少为45度、以防止不稳定并实现合理的趋稳。  有时、为了更好地查看初始相位、将交流扫描中的低频点设置为非常低的频率(本例中使用了1MHz)会很有用。  我希望这个解释对你有所帮助。  有关  稳定性理论的详细说明、请参阅 www.ti.com/.../ti-precision-labs-op-amps.html 的稳定性部分。  我希望这对您有所帮助。

    艺术

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    感谢您的全力帮助。
    非常感谢!

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    PS:您能帮助我了解您的两个瞬态分析 TI-TINA 文件应该如何工作吗?
    当我打开它们并让 TI-TINA 执行瞬态分析时、TI-TINA 只是挂起、然后崩溃到桌面。
    我已经尝试了全部三个选项来计算瞬态分析的初始条件、但是没有成功。
    如果电路原理图缺失、是否有一块? 例如(+IN)与+IN 无连接。
    谢谢你。

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    Nicholas

    我刚刚下载并测试了这些文件,以确认一些奇怪的事情没有发生与我上传他们。  他们运行没有问题。  我选择的选项是"计算操作点"。  下面是我所使用的 TINA 版本的"关于"副本。  我认为您应该使用相同的方法、但值得反复核对。  当您运行文件时、我假定您运行的是 thp210瞬态-原始区域.tsc 和   thp210瞬态-修改的.tsc。  我调整了分析参数以获得最准确的结果、这可能会影响收敛。  不过、这些设置应该与 TINA 文件一起提供、因此您应该具有相同的设置。   下面的说明了可在"Analysis > Set Analysis Parameters"下找到的设置。  注意: 您可以按下手指工具并选择一个文件来改进瞬态收敛("瞬态收敛解决方案")。  您确实不需要执行此操作、因为我认为我们运行的是相同版本的 TINA、它可以在我的计算机上工作。  我想最后要做的就是将 TINA 下载到另一台计算机上并在该计算机上进行测试。  计算机操作系统/设置中的某些内容可能会影响软件操作。   我使用的是 Microsoft Windows 10 Pro。

    我希望其中一些建议对您有所帮助。  此致、艺术

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    您好!
    感谢您的答复。 我尚未复制您的瞬态分析 图。  
    从磁盘加载 PRM 文件后、我可以运行瞬态分析而不会使 TI-TINA 崩溃、太棒了。
    PRM 文件设置与您的屏幕抓图中的设置不匹配、因此我调整了我的文件设置以与您的文件相匹配。 (或者至少在屏幕抓图中可见的所有内容)
    以下复合图像显示了瞬态分析的结果运行以及用于实现此结果的所有系统设置。
    我必须将  提供的 TSC 文件中设置的 IG1方波频率从1KHz 修改为10kHz、以使其与图形中的 IG1图相匹配。
    可以看到、Vdif、VoutN 和 VoutP 的瞬态分析图在幅值和形状上都不正确。
    为了获得与您相同的结果、我还需要修改哪些其他设置?
    谢谢你。

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    Nicholas

     1)只要1)您的输入 信号源具有  与我的仿真相同的振幅和频率、2)分析参数 设置为与我选择的接近、3)您放大瞬态事件、您应该会得到相同的结果。  在查看屏幕截图时、结果看起来甚至与预期的结果不符。  输出似乎在驱动至远超电源电压的电压、并且它似乎会在输入恒定时发生转换。

    如果您向我发送 E2E 好友请求、我们可以交换电子邮件并设置电话/WebEx 来调试此问题。  我希望您已尝试在另一台计算机上安装 TINA。  此外、我将重新附加以下文件。

    e2e.ti.com/.../thp210-transient_2D00_origional-_2800_1_2900_.TSC

    e2e.ti.com/.../thp210-transient_2D00_modified-_2800_1_2900_.TSC

    此致、 艺术