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[参考译文] LMP7721:CMVR、PSRR 和 CMRR 的澄清。 这些参数如何说明要使用的电源电压组合?

Guru**** 2380860 points
Other Parts Discussed in Thread: LMP7721, 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/1324937/lmp7721-clarification-on-cmvr-psrr-and-cmrr-how-do-these-parameters-tell-me-what-combinations-of-supply-voltages-to-use

器件型号:LMP7721
主题中讨论的其他器件: TINA-TI

如果这些是普通的规范或查询、请提前道歉… 我在过去仅短暂运用过理想运算放大器理论(大约4年前)。 如果我的以下问题需要在单独的论坛帖子中提供、请告知我、我会将这些问题分解出来。

我已经配置了一个使用 LMP7721运算放大器的光电二极管放大器(目前)。 这是我第一次设计/仿真互阻抗放大器电路、因此我一直在尝试阅读以下论坛/文档以了解典型数据表中所列运算放大器参数的重要性/重要性:

  1. https://electronics.stackexchange.com/questions/684615/how-to-determine-whats-a-suitable-opamp/684622#684622
  2. LMP7721产品说明书
  3. TI 的"了解运算放大器规格"文档(www.ti.com/.../sloa011b.pdf)
  4. e2e.ti.com/.../5019621

TLDR:我无法解释输入共模电压范围(CMVR)、共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR)的关系/重要性。 这些值如何帮助选择合适的电源电压值/范围来为运算放大器(例如 LMP7721)供电?

详细评论/问题:

对于 CMVR、我对文档3第11-13页中此参数的解释使我认为、这是基于施加到 VIN-和/或 VIN+的电压而限制施加到电源引脚的电压(V+或 V-)  、其中(例如) 如果 V+>> VIN+、则运算放大器不会放大信号或以…Ω 的电流运行 不过、LMP7721数据表(第5页)简单地将 CMVR 引用为最大值(1.5V)和最小值(-0.3V)。 这些最大值和最小 CMVR 值是否是运算放大器运行/放大信号时 V+必须小于的值?

对于文档3中的 PSRR、提到了输出电压和电源电压"Vcc"之间的比率。 这只是另一种表述运算放大器正常运行所需的电源电压吗? LMP7721的数据表(第5页)中提到了它是在1.8V≤V+≤5.5V、V- = 0V、Vcm = 0条件下测试的、这是针对 LMP7721引用的电源电压范围(Vs)。 (另外、当 V-≠V+时、VCM 为何= 0?)

对于 CMRR、我可以从文档3中收集到的最佳做法是输入引脚(VIN-和 VIN+)的失调电压会由于出现的增益量而变化。 而摘自 LMP7721数据表第5页(和第4页)。 我将此参数解释为、施加到电源上的电压范围必须遵守(V-)< Vcm <(V+)-1.1V (对于+/- 2.5V 电源)、运算放大器才能正常工作。 该参数是否意味着对于不符合不等式的(V+或 V-)组合、不符合(V-)< Vcm <(V+)-1.1V、运算放大器根本不工作?

我尝试使用 TINA-TI 仿真以及之前 TI 论坛帖子(e2e.ti.com/.../5019621)上的信息 来了解/试验适用于我的 TIA 的各种电源电压配置。 我在这篇文章中附加了相同的 TINA-TI 文件。 以下是我的 TIA 设计片段和示波器对输入15pA 方波(IG1)的 Vout 读数。 通过这个实验/模拟、我总结/得出以下问题:

 为什么需要向负电源轨(V-)施加负电压才能从 LMP7721获得有效输入? 它与 CMRR 和 CMVR 有何关系?

已为电源轨提供+/- 1.5V 电压(Vcm = 0)。 它符合我对 CMRR 的解释、即-1.5V < 0 < 0.4V。因此、示波器会显示读数和实际的方波信号。

为电源轨提供了+/- 1.0V 电压(Vcm = 0)。 确实如此 遵守我将 CMRR 解释为-1.0V < 0 <-0.1V。示波器仍会读取实际的方波信号。

已向电源轨提供+ 2.5V 和0.0V (Vcm = 1.25)。 确实如此 遵循我将 CMRR 解释为0V < 1.25V < 1.4V 有效、但示波器不会读取振幅为~ 9uV 的方波信号。

已向电源轨提供+ 3.0V 和- 0.5V 电压(Vcm = 1.25)。 它确实符合我对 CMRR 的解释、因为-0.5V < 1.25V < 1.9V 是有效的、而且示波器确实会读取一个方波信号。

确认:此处使用的 TINA-TI 文件是在以下论坛上找到的文件的编辑版本: e2e.ti.com/.../lmp7721-clarifications-on-input-protection

e2e.ti.com/.../Photodiode-simulations.TSC

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    Camille、

    对于+/-1V 电源(总共2V)、您应该使用2.5V 的 Vsupply 规格来确定 Vcm 和 Vout 范围-见下方。

    由于2.5V 单电源上的0<Vcm<1.4V、因此这意味着-1V<Vcm< -0.1V /-1V 电源。

    此外、对于+/-1V 电源、2.5V 单电源上的0.15V<Vout<2.2V 相当于-0.85V<Vout<+0.7V。

    因此、 通过按如下所示将同相输入接地、将超出 VCM 电压0.1V。  您需要测量的电流范围是多少?

    此外、尽管该电路在其有效带宽下具有62度的相位裕度、但相位在10kHz 附近突降至13度。

    这会导致稳定的电路、如下面的瞬态分析所示。

    因此、您需要通过将 Cf 增加到10pF 来重新补偿电路-见下面。

    Re 运行的瞬态稳定性仿真显示没有过冲-见下文。

    为了让您更好地了解数据表规格、请查看以下链接下的 TI 高精度实验室材料:

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

    e2e.ti.com/.../Photodiode-AC-Stability-simulations.TSC

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    尊敬的 Marek:

    非常感谢您对我的问题的持续支持。 非常感谢您为高精度实验室运算放大器教程提供的链接! 我会告诉大家、在接下来的几天内 、使用 TINA-TI 软件时是否会有类似的视频播放列表? 我认为您能够测量波特图以检查1/β 和 fGBW­­­ 的增益裕度和相位裕度、我想了解如何执行该操作。

    以下是我对电源电压和 CF 讨论的回应/说明:

    对于电源电压:

    所以我是正确的、在+/- 1V 电源电压下、CMRR 变为-1V<VCM<-0.1V?

    但是、实际上告诉我 Vout 将是什么、关系(V-)+ 0.15V < Vout <(V+)–0.3V、其中0.15V 和0.3V 来自 AVOL、其中0.15V 来自0.15V–(0V)、 和-0.3V 的电压 为2.2V–2.5V V­+如果答案/说明可以在您共享的 precision-lab 链接中找到、不要费心回答这个问题、我会在发送这个回复后不久就浏览这个文档。

    对于 TIA 稳定性:

    对于 TIA、我尝试将调制方波电流 100fA–15pA (悲观估计)。 第一级放大(TIA)旨在将以10-50kHz 电流进行调制的15pA 转换为~10uV 方波(因此我使用的是600kOhm RF)。  

    我按照以下文档选择了我的 CF 值:(https://www.ti.com/lit/ug/tidu535/tidu535.pdf?ts = 1708000631412&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fsitesearch%252Fen-us%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FlangPref%253Den-US%2526searchTerm%253Dphotodiode%2Btransimpedance%2Bamplifier%2526nr%253D1538)

    我最初选择 CF (或 C­1 μ V)为2.65 pF (我在 TINA-TI 文件中使用了2 pF 来查看输出的方波如何在示波器上发生变化)、因为我想要 FP (所需带宽) = 100kHz 并使用上面链接的第6页上提供的 f1的公式(9)(假设 CIN = 11 pF + 135pF +11 pF +11 pF、 其中、11 pF 是 LMP7721的输入和差分阻抗、135 pF 是我所用的 SFH 2440光电二极管的 Cj) f1 > FP。 使用10pf 的 CF 会使 f­p ~ 26kHz、这是可以的… 但 TIA 一级放大并非如此。 我可以降低 TIA 的增益例如 RF 以提高稳定性、此外我还计划使用级联的运算放大器来实现我的总体放大/目标。

    我的总体目标是通过级联的运算放大器来放大峰值  15pA 方波调制光电二极管信号 10mV 至100mV (也进行了方波调制) 同时保持最小100kHz 的带宽(f­p)。

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    快速跟进、

    高精度实验室教程已解决我的上述问题。 这是一组令人惊叹的讲座和主题、让我了解了采用运算放大器的模拟电路设计的现实情况。 刚通过前3个模块解决了我对这篇帖子的疑问。

    感谢您的分享!

    感谢 Ian Williams、Ying Zhou 和 Art Kay 创建这些讲座。 你们都很棒。

    以下是教程链接:

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

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    Camille、

    很高兴您 喜欢 TI 精密实验室教程。   说过您在尝试做的事情上面临着巨大的挑战。

    1.反馈滤波器的截止频率为27kHz,因此您可能无法通过50kHz 信号。

    2.如果您尝试使用6us 的 RC 时间常数来实现,将得到如下所示的失真波形。

    3.此外,即使您添加一个低 pas 滤波器 r1|c1, fc 为500kHz,总输出噪声将远高于您的10uV 输出信号-见下文。

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    感谢您的跟进、Marek!

    我认为、在未来的电路设计迭代中、我会略微降低射频并增加第二级放大、以便从 TIA 获得更大的带宽。 我还将介绍可用于 TIA 级的其他一些运算放大器。  

    在我完成高精度实验室的所有模块后、我将再次尝试该电路设计

    感谢您迄今的见解、反馈和帮助! 在进行故障排除时、您为我节省了大量的时间和麻烦。

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    Camille、

     带宽越高、噪声越高、分辨率越低-见下文:

    有一种方法可以增大总体 TIA 增益、而无需添加另一个增益运算放大器-请参阅下文。

    但是、增益的增加也会增加输出 rms 噪声-见下文。

    总的来说、总噪声主要由600k 电阻的热噪声(98nV/rt-Hz)决定、而非 LMP7721宽带噪声(7nV/RT-Hz)。

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    Marek,

    感谢您的深入了解!

    我的印象是粉色噪声是此系统中的主要噪声、因此它会随着频率的增加而降低。 但是、对于热噪声、我能做的不多... 除非它是一种泄漏电流形式、否则防护环/走线可能会移除。  

    我希望尽量减小10-100 kHz 之间的噪声、即光电二极管的采样频率。 如果你有任何额外的见解/建议,如何做到这一点,我都是耳朵。 由于主要噪声来自600kOhm 电阻增益、我的 gut 告诉我使用额外的运算放大器级无法有效降低噪声。

    我将查看 TI 高精度实验室讲座中的噪声模块是否有助于优化我的噪声性能。   

    此致!

    凸轮

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    降低 由 电阻器热噪声决定的总噪声的唯一方法是降低电阻值或降低有效带宽。