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[参考译文] OPA855:OPA855的仿真

Guru**** 2386610 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA855, ADS7046, OPA856
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/1303639/opa855-simulation-for-opa855

器件型号:OPA855
主题中讨论的其他器件: ADS7046OPA856

团队、您好!
我们希望使用运算放大器 OPA855设计跨阻放大器(TIA)。
我们正在使用的 ADC 是 ADS7046。
我们使用的光电二极管是 J 系列 SiPM 传感器


原理图中对 Riso 的需求是什么?



您能否为同一电路提供仿真文件?
RF 是47E、而 CF 被设定为10nF 以获得一个大约470mV 的输出。
光电二极管将在导电模式下连接、其阴极连接到+ve 电压






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    Vijay、您好!

    为了向您提供满足您设计要求的仿真、我有几个问题:

    1. 我查看了您提供的 J 系列 SiPM 传感器数据表。 它显示了该系列中几种不同的传感器;您能否分享您正在使用的具体传感器? 我问的原因是、每个光电二极管的电容不同、并且 TIA 应用中使用的无源器件对光电二极管的电容很敏感。
    2. 您能否与您分享光电二极管的输入电流以及预期的输出电压是多少? 将预期输出电压除以来自光电二极管的输入电流即可得出反馈电阻值。 通常、反馈电阻器的值大于47欧姆、因此我想确认您的电路需要是什么。
    3. 您的应用需要多大的带宽?

    需要注意的另一点是、反馈电容器由器件的 GBWP、所需的闭环带宽、反馈电阻和电路的输入电容决定。 我们 此处提供有关 TIA 电路的更多信息 、其中包括用于根据上述参数确定电路稳定性所需的必要反馈电容器值的计算器。  

    要回答您有关 Riso 的问题、请执行以下操作:

    隔离电阻器(Riso)添加到放大器的反相输入端、以抑制由引线电感和放大器内部电容引起的潜在谐振。 Riso 应该是介于10和20欧姆之间的值。

     

    谢谢。

    尼克

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    您好、Nick、
    感谢您的答复。
    我们要使用的光电二极管是一个3mm 的光电二极管。


    您的应用程序需要什么带宽?

    您能否解释一下这是什么意思?

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    Vijay、您好!

    感谢您分享您正在使用的光电二极管、以便我可以构建仿真文件。 您能否分享预期的输入电流和输出电压是多少?  

    我的假设是您将向放大器发送某种脉冲信号。 为了在输出端匹配该信号、放大器需要具有足够的带宽。 输入信号的频率和脉冲的上升时间由放大器的带宽决定。 例如、如果尝试实现脉冲信号的特定上升时间、公式为上升时间(tr)=0.35/带宽。 基于此、您能否共享应用所需的带宽?

    谢谢。

    尼克

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    您好、Nick、
    感谢您的答复。
    此时、输出电压的变化仅在(3uA * 47E = 141uV)和(10mA * 47E = 470mV)之间变化。
    关于系统的带宽、LED 将每30us 亮起一次、ADC 将在 LED 的开通和关断时间内对数据进行采样。
    LED 将亮起约15 μ s。
    我们将使用 偏置电压为3V、Vref 为3.3V 的正反向偏置

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    Vijay、您好!

    感谢您提供这些额外的详细信息。 基于这些细节、我认为 OPA855并不是您设计的最佳选择、因为它是一款解补偿放大器。 这意味着必须在7V/V 或更高的增益下配置它、才能实现稳定运行。 通过使用这种小的反馈电阻器、您未将增益配置为7V/V、因此输出将变得不稳定。

    OPA856是与 OPA855类似的器件、只不过 OPA856是单位增益稳定的器件、这意味着可以在较低的增益下稳定工作。

    我很好奇您为什么要为您的设计选择47欧姆的反馈电阻器。 我创建了一个仿真、其中显示使用47欧姆的反馈电阻器无法实现 OPA856的全输出摆幅。 我在下面提供的仿真使用了200欧姆的反馈电阻器。

    e2e.ti.com/.../OPA856_5F00_E2E.TSC

    我根据您提供的数据表中的光电二极管电容选择了输入电容。 该仿真显示了10mA 的输入电流。 使用 TIA 计算器计算反馈电容、该计算器来自我第一次答复中的链接。

    如果您对该仿真文件有任何问题、请告诉我。

    谢谢。

    尼克

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    您好、Nick、
    感谢您的答复。
    OPA855的最小增益为7V/V。
    由于 TIA 的输入是电流、输出是电压、因此如何计算 TIA 的增益?
    此外、OPA856电路仿真对我们的应用效果很好。
    但是、当我在仿真中将 OPA856替换为 OPA855时、仿真会显示出一些错误、能否说明一下原因?

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    Vijay、您好!

    我说的200欧姆反馈电阻器不够大、无法实现7V/V 的增益、这是不正确的。 TIA 的增益(跨阻增益 dBΩ)等于20*log (Rf)。 这就是说、反馈电阻器等效于 TIA 应用中的 V/V 增益。 因此、您选择的电阻值足够大、不会导致不稳定。

    我进一步深入探究了仿真。 使用 OPA855时、仿真中存在误差的原因是、大反馈电容器导致波特图中的增益峰值较大。 以下是使用500pF 电容器时的频率响应图:

    以下是使用50pF 电容器时的频率响应图:

    我还查看了我提供的 OPA856仿真、该器件的频率响应中也有一个小的峰值。 减小反馈电容将降低该峰值并增加带宽。

    谢谢。

    尼克

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    您好、Nick、
    感谢您的答复。


    光电二极管的电容为1040pF、我们使用电容为40pF 的 TVS 二极管连接到 GND。




    Riso 的值设置为 10E。


    TIA 输出端的47E 电阻器和320pF 电容器构成 ADC ADS7046的反冲滤波器。

    为什么我们的相位裕度存在问题?
    它是否会导致系统出现任何问题?

    有时、仿真会显示以下误差。 有时在运行仿真后立即执行、有时在运行2或3秒后执行
    这可能是什么原因呢?

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    Vijay、您好!

    我已按照您在最新回复中所示的方式设置仿真。 如果我尝试运行瞬态分析超过几毫秒、就会得到您看到的误差。 这似乎表明电路设计存在一定的不稳定性。  

    当我生成此电路的频率响应时、我看到一些 dB 峰值、这表明稳定性可能是个问题。 因此、我将反馈电容器调节至50pF、以降低增益 dB 峰值。 执行此操作后、在运行仿真5秒或更长时间时没有出现收敛错误。  

    我还运行了稳定性分析、相位裕度大约为70度。 我怀疑反冲滤波器引起的容性负载可能导致了不稳定。

    谢谢。

    尼克

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    您好、Nick、
    感谢您的答复。
    附上了我们的最终原理图和分析结果。
    如果需要任何更正、请查看并更正这些错误。




    如果需要任何更正、请查看并更正这些错误。

    此外、我们正在使用的 ADC 是 ADS7046。
    有没有方法在 TINA TI 中对 ADC 进行仿真?

    正在查找您的回复

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    Vijay、您好!

    根据我在上一次回复中的说明、如果使用30pF 反馈电容器、则存在不稳定的风险。 将反馈电容器增大、例如50pF、 将提供更大的相位裕度。

    此外、有可能在 TINA TI 中使用 ADC 进行仿真。 如果您转到 ADS7046的产品页面、则可以在"设计和开发"选项卡下下载包含.tsm 文件的 zip 文件。 这是 ADS7046的宏。 为了将宏插入仿真文件、请在 TINA 中选择 Insert -> Macro。 然后、浏览到.tsm 文件的保存位置。  此处对步骤进行了说明

    谢谢。

    尼克

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    您好、Nick、
    感谢您的答复。
    如果反馈电阻器更改为50pF、则运行一段时间后我们会得到相同的误差(收敛问题)。
    您能否确认相同之处?


    此外、使用 ADC 进行的仿真无法正常工作。
    您能指导我吗?

    e2e.ti.com/.../OPA855_5F00_New.TSC

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    Vijay、您好!

    感谢您分享新的原理图文件。  

    您能否与我们分享一下您说的与 ADC 不能正常工作的仿真的含义? 您是指您看到的收敛错误、还是观察到其他问题?

    收敛误差似乎是由来自 ADC 采样电容的更多容性负载导致的。 我将对其进行更深入的探讨。 增大 TIA 的反馈电容器有助于减少任何收敛问题、但也会减小一些带宽。 您应该仍有足够的带宽用于您所描述的应用。

    谢谢。

    尼克

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    您好、Nick、
    您能否检查 TIA 的配置是否正确? (不考虑 ADC)。
    我们仍然会遇到收敛错误。

    我认为 ADC 的问题是由其他一些原因造成的。


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    Vijay、您好!

    TIA 的配置正确。 当我模拟您附加的文件时、我看到了预期的输出。 您可能需要稍微调整反馈电容以消除 ADC 采样引起的一些尖峰。 我将反馈电容增加到了100pF、这样就移除了大部分尖峰。

    谢谢。

    尼克

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    您好、Nick、

    我有一个类似的问题。 您能给我一些建议吗?

    我使用 OPA855作为 TIA。 IPM 的 输出电压为32mV、上升时间为1.3ns、电容为555pF。

    我通过 以下公式计算带宽是270MHz:上升时间(tr)= 0.35/带宽。 但我不知道 RF 和 CF 的值是否正确。

    下面是电路:

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    尊敬的 Yuan:

    以下是一些评论:

    • 根据我参考的上升时间公式、可以计算在给定一定的闭环带宽下 TIA 输出电压的上升时间。 因此、根据计算、您需要具有270MHz 的闭环带宽、以便实现大约1.3ns 的上升时间。 为了实现较大的闭环带宽、会导致反馈电阻值很小、
    • 具有较小的 RF 值最终会导致输出电压发生非常小的变化、这取决于 SiPM 输出电流的大小。 输出电压将等于(Vref)+/-(SiPM 的 Rf *输出电流)。 正负根据 SiPM 是灌电流还是拉电流来确定。 根据电流的不同、如果 Rf 为30欧姆、这可能导致输出电压变化非常小、而这种变化可能会在后续阶段中丢失
    • TIA 应用通常采用较小的输入电流、并将其转换为较大的电压摆幅以供后续信号处理。 我可以帮助您根据您的输入电流范围和输出电压摆幅要求确定 Rf 和 Cf 的值。 如果您有任何输出电压上升时间要求、也请分享这些要求。 话虽如此、也许不可能实现1.3ns 的上升时间。 不过、约5ns 可能是可行的。

    此外、您可以使用"提出相关问题"或屏幕顶部的"提出新问题"按钮启动新问题。 这将有助于保持两个线程的清洁。 我将非常乐意继续为新话题提供支持。

    谢谢。

    尼克