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[参考译文] OPA145:用于压电传感器的电荷放大器-低增益下的奇怪输出

Guru**** 657500 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA2991, TL072, OPA145
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/1281551/opa145-charge-amplifier-for-piezo-sensors---weird-output-at-low-gain

器件型号:OPA145
主题中讨论的其他器件:OPA2991TL072

我正在尝试在 LTSpice 中模拟要与音频范围内的压电式传感器一起使用的电荷放大器。

以下是电荷放大器的资源:

https://en.wikipedia.org/wiki/Charge_amplifier

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/how-to-design-charge-amplifiers-piezoelectric-sensors/

电荷放大器基本上是一个积分器。 我将压电传感器建模为具有串联电容的电压源。 电荷放大器的增益仅由 Cpervor/Cf 之比决定。 我正在尝试使用 OPAx145 - TI 产品页面中的最新 SPICE 模型(修订版 C)。

我的原理图如下所示:

这意味着放大器的增益为 CM压 电式/CF = 40nF/10nF = 4。 使用此设置时、输出正确、如下所示:

但是、当我将 Cf 更改为40nF、从而将增益设置为40nF/40nF = 1时、我将获得以下输出:

通过选择不同的 CF 值、我发现当 CF > 11nF 时、我会得到类似的疯狂输出、即每次增益小于4时。

但是、如果我将压电传感器更改为4nF、将 Cf 更改为4nF、即增益为1、但电容较低、我将得到正确的结果(输出端为100mV 正弦波)。

如果我使用旧的 TL072模型、而不是 OPAx145、那么 CF 或 CM压 电阻的任何值似乎都能提供正常(预期)结果。 与 OPA2991模型类似(这是一种 CMOS 运算放大器、因此可能无法直接进行比较)。 我还尝试了 OPAx134 - 也是预期的结果。

我将 LTSpice 项目与运算放大器模型挂钩。

OPAx145的哪种属性导致了这种情况? 或者我的仿真有什么问题吗? 谢谢!

e2e.ti.com/.../charge_5F00_amp.zip

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    更新:我刚刚发现在压电式输入和反相输入之间串联一个100欧姆的电阻器可以解决这个问题。 但有人能解释一下为什么吗?

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    尊敬的 Juraj:

    看上去很不稳定、但我不确定其他器件为什么没有显示它。  BW、输出阻抗、模型参数等方面存在许多差异、这可能是问题的原因。

    我们应该能够在明天缩小这一范围、请为此再给一天时间。

    谢谢。
    迈克

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    尊敬的 Duraj:

    运算放大器对放置在运算放大器器件反相输入端子处的电容很敏感、对大容性负载也很敏感。  TI 高精度实验室有一个视频系列教程、其中讨论了运算放大器稳定性、稳定性分析和补偿。 请参阅以下内容:

    https://www.ti.com/video/series/precision-labs/ti-precision-labs-op-amps.html

    在主题下、搜索浏览至"稳定性"、并有七个部分讨论运算放大器稳定性。

     

    要回答您的问题、在上面的电路中、导致不稳定的罪魁祸首是 Cpervo=40nF 的电容。   输出负载电容 Cout 与大 Rout 100k 电阻串联、因此输出负载不会导致稳定性问题。  OPA2991 (4.5MHz)和 OPA145 (5.5MHz)放大器具有相似的带宽、但开环输出阻抗随频率变化的特性不同。

    OPA2991和 OPA145模型都精确地仿真 AOL 和开环输出阻抗、以实现准确的稳定性分析。  实际上、在电容为 Cpressor=40nF、CF =40nF 的原始电路上、两个电路都显示了对 Cpressor=40nF 输入电容的灵敏度:OPA2991电路处于不稳定的边缘、具有仅9度的极小相位裕度或低相位裕度、而 OPA145完全不稳定、没有相位裕度。   

    例如、如果我们在 CF = 40nF 且 C压 电= 40nF 的情况下对 OPA145电路进行开环稳定性分析、则开环稳定性分析显示-11.8度的负相位裕度、这意味着电路不稳定。  如果我们看一看仿真结果、会发现 OPA145的开环输出阻抗与反馈组件相互作用、并且压电输入电容会在负载 AOL 上产生大约~120kHz 的第二个极点、从而导致不稳定。  由于负载 AOL 上的这个第二极点、负载 AOL 和1/Beta 的交点有一个-40dB 的接近速率、这使得这个电路不稳定。 该不稳定结果与显示振荡/不稳定的 OPA145瞬态仿真结果相关。

     

    TINA 仿真: e2e.ti.com/.../7026.OPA145_5F00_forum_5F00_10_2D00_17_2D00_23_5F00_open_2D00_loop_5F00_stability.TSC

    同样地、当我们在 CF = 40nF 且 C压 电= 40nF 的情况下对 OPA2991电路进行开环稳定性分析时、我们仅显示边缘9度相位裕度、这意味着电路设计不是稳健的、OPA2991电路也处于边缘或不稳定性的边缘:  

    TINA 文件: e2e.ti.com/.../7026.OPA2991_5F00_forum_5F00_10_2D00_17_2D00_23_5F00_open_2D00_loop_5F00_stability.TSC

    补偿电路的方法可能有所不同。  但在这种情况下、由于这是一个需要 CF = 40nF 的积分器电路、并且压电电容为40nF、所以在运算放大器反相端子上添加100欧姆串联电阻可以使电路保持稳定是正确的。  100欧姆在负载 AOL 频率响应上添加一个零点、以消除导致不稳定的第二个极点、其中 AOL 与1/Beta 曲线相交的环路增益和 AOL 接近速率现在约为-20dB/十倍频、从而使电路稳定。 您建议使用100Ω 的第二个电路具有75+度的相位裕度、并在您更改反馈电容器时保持稳定。  请参阅以下内容:

     

     

    TINA 文件: e2e.ti.com/.../1641.OPA145_5F00_forum_5F00_10_2D00_17_2D00_23_5F00_100ohm_5F00_open_2D00_loop_5F00_stability.TSC

    谢谢。此致、

    路易斯

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    路易斯,你的答案是惊人的-非常感谢你 的所有时间和努力,你投入 这样一个 详细和明确的解释! 以及您自己的仿真和图。 我当然学到了很多、并且一定会观看 推荐的视频系列。 非常感谢!

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    尊敬的 Juraj:

    谢谢、如果您有任何需要、请告诉我们、

    此致、

    路易斯