[参考译文] OPA838：跨阻放大器：具有 OPA838 -电源电压

尊敬的 Behnam：

关于 OPA838的一个关键点是：绝对最大电源电压额定值为5.5V、所以+/-3V 的电源电压设置超出了该范围。 此外、将电源电压设置为+/-1V 可能无法完全开启运算放大器、因为最低电源电压为2.7V。 您能否观察到在提供+/-2V 或+/-2.5V 电压时的电路行为？

如您所述、可以通过几种方法来检查稳定性标准。 它可由相位裕度、频率响应的峰值和阶跃响应过冲决定。 下面随附了用于确定电路相补角的仿真。 如果电路具有45度或更大的相位裕度、并从大约35-45度的相位裕度略微稳定、则该电路为稳定状态。  

该电路仿真得到大约54度的相位裕度、这表示稳定性。 不过、这并未考虑 PCB 布局的寄生电容。 您可以将其添加到仿真中、以查看这如何影响稳定性。 有关如何确定稳定性的更多详细信息、请参阅  稳定性部分下的 TI 高精度实验室视频。

e2e.ti.com/.../TIA_2D00_Ultrasonic_2D00_High-frequency_5F00_Stability.TSC

谢谢。

尼克

尊敬的 Nick：

非常感谢您发送的消息和信息。 这是非常有用和有益的。

-关于您的问题:

您能否观察到在提供+/-2V 或+/-2.5V 电压时的电路行为？

是的、这仍然会消耗大量电流、并且 Op_Amp 的输出出现振铃、因此不稳定。 我已经发现了一个事实、即 绝对最大电源电压额定值为5.5V、然后我降低了电压、我注意到它在+/-1V 左右稳定。

-关于我的印刷电路板:  

这是我的布局：

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关于稳定性仿真、非常感谢。 您能否告诉我如何 在仿真中添加 PCB 布局的寄生电容？ (用于评估对稳定性的影响)

-频率响应的峰值:

一般而言、如果可以像在设计中一样在波特图中进行挑选、则电路不稳定(尽管有54度相位裕度和良好的阶跃响应(良好的过冲)...)？ 如果是、这种选择意味着什么？ 我们应始终避免挑选？ 或者说即使有这个尖峰、我们也无法实现稳定的电路？  

我注意到、如果我通过将反馈电容器增加到290pF 来减小带宽、则没有这样的选择、带宽约为2 MHz：

-去耦电容和电源电压:

第二件我有疑问的是、使用两个不同的并联电容器值作为我的电源去耦100N 和2.2uF：

我的 PCB 中有64个此电路、这意味着我有128个电容器(100nF 和2.2uF)用于并联正电源轨、有128个电容器(100nF 和2.2uF)用于并联负电源轨、以及在负电源轨和正电源轨之间有64个100nF 电容器。 我已经了解到、当两个不同的电容器值彼此并联时、它们可以使用 PCB 引线(作为电感器)构建 LC 电路、并且可以在特定电压和频率下开始振荡。 您能告诉我您对此有什么看法吗？

此致、

Behnam,

在不进入 Lg Sim 的情况下、如果您运行一个输出点噪声并且它急剧达到峰值、则会发生振荡、是的、此应用的噪声增益太低、最小增益为7 OPA838。 此处您需要使用单位增益稳定器件- OPA837可能。  

Michael、您好！

哇,非常有趣,我从来没有见过这种标准的稳定性,非常感谢你的美好的洞察力! 我很感激。

如您所见、我已检查了除了这个(输出噪声峰值)之外的每一个可能的稳定性标准。 因此、我将反馈电容器增加到330pF、然后我注意到没有(Sharp)峰值：

此外、频率响应中没有峰值：

那么、我们可以得出结论吗、如果增益(dB)中有峰值、那么输出噪声中会有峰值、因此电路不稳定？

作为一种解决方案、通过在反馈中使用更大的电容器(330pF)、带宽(-3dB)为2MHz、并且我仍将获得45dB 的放大率、我的应用(传感器)频率大约为2-2.5MHz。 您能告诉我吗、我们能否确保将电容器更改为330pF、电路能够在没有任何振荡的情况下正常工作？ 它可以正确放大吗？ (考虑到增益和输出噪声中没有峰值)

此致、

贝南

您确实需要考虑低 F 噪声增益和高 F 噪声增益、  

Michael、您好！

非常感谢您的快速回复、请您再详细说明一下这一点吗？ 我应该遵循哪些步骤？

此致、

您好，Benham。

正如 Michael 指出的、该器件在增益为7V/V 及以上时保持稳定、因为它是一种解补偿放大器。 因此、放大器在高频下的噪声增益由反馈电容和输入电容决定。 下面是一个 E2E 主题、其中 Samir 非常好地解释了噪声增益、并提供了一些有用的资源：

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/586219/opa847-voltage-noise-peaking-in-transimpedance-amplifier-tia---why-does-the-addition-of-a-feedback-capacitor-cause-voltage-noise-peaking 

下面还有一个应用手册介绍了噪声增益： https://www.ti.com/lit/an/sboa122/sboa122.pdf 

谢谢。

尼克

尊敬的 Nick：

非常感谢您提供的优质文档和信息。 我介绍了它们、非常有用。

问题归一、如果我想解决这个问题、您能告诉我、增大反馈电容器会很有用吗？ (考虑增益和输出噪声没有峰值)、或者我需要考虑更改运算放大器？

谢谢

Behnam,

尊敬的 Nick：

我查看仿真、发现我的阶跃响应通过使用330pF 电容器反馈振荡：

这意味着我们不在电流方向上。

此致、

Behnam,

尊敬的 Nick 和 Michael：

您能否告诉我、为了使电路稳定、我可以在当前设计上实现哪些更改？ 然后我就可以实施它们并与您分享结果。

提前非常感谢您的帮助。

此致。

Behnam,

尊敬的 Nick 和 Michael：

我忘了说、在最终的 PCB 中、我们在换能器和 TIA 之间添加了一个隔直电容器、可以吗？或者不应该这样做？  

此致、

Behnam,

请试用 OPA837、它在20Mhz 下确实有一些小谐振、如果您降低负载 R、则情况会更糟您没有说您的负载是多少？

此处的高频噪声增益1 + 330pF/1nF = 1.33V.V

尊敬的 Michael：

非常感谢您的更新。

关于使用 OPA837、我刚刚进行了噪声分析并注意到、噪声增益仍有急剧的峰值(与我们在 OPA838中遇到的问题相同、这会导致不稳定)：

负载将是电压放大器的输入、我需要仔细查看规格。 我会尽快告诉你。

此致、

Behnam,

尊敬的 Behnam：

正如 Michael 所指出的、在您的当前配置中、您将需要一个单位增益稳定部件。 OPA838是一个解补偿放大器、其最小稳定增益为7V/V、您的高频增益远低于该增益、这将是您不稳定的原因。 OPA837是一种可选器件。 如果您可以共享应用的信号要求、我可以验证这款放大器是否最合适、或者更适合研究另一款放大器。  

谢谢。

尼克

尊敬的 Nick：

感谢您发送的消息、我的信号要求重新分级、换能器的输出电流在 uA 范围内、而且噪声很大、因此我希望通过非常高的 SNR 将电流转换为电压。 输出电压的范围不是第一个属性、但可能的最高 SNR 是优先级。

在 TIA 之后、我将使用另一个电压放大器级。  请告诉我、您还需要知道什么？

此致、

Behnam,

您好@ Nick Nauman 和 S ã o Michael Steffes @ 更新：  

当我为电源电压使用+/- 2V 时、电流消耗形成正轨360mA 5.7mA 5.66mA (每个 OPA838)、电流消耗形成负轨357mA (每个 OPA838)、考虑到我的 PCB 上有63个相同的 OPA838电路、对于每个 OPA838的输出、我看到输出中的振荡如下： (频率约为86MHz、vpp 800mV)：

当我将电压降低到+/-1V 时，不再出现振荡，电流消耗形成正电源轨67.9mA，电流消耗形成负电源轨67.7mA，)。 此外、当我使用(V-=0 & V+=3.5V)时、流耗为146.7mA (每个 OPA838关于2.3mA)、并且我在输出中没有看到任何振荡！？ 在 OPA838数据表中、他们对电源使用的互阻抗部分(V-=-230mV、V+= 3V)、这是否一个点？ 它们为什么没有使用对称电压？ 并且负轨的电压值很小？

在我的原理图中、我在 V+和 V-之间使用了一个100nF 的电容器、如下所示：

这是我的布局：

负轨原理图和布局是否有任何问题？ 当我不使用负电源时、没有振荡。  

尊敬的@ 尼克·纳曼 和@ ·迈克尔·斯泰菲斯 关于噪声增益,我做了一个计算,并注意到当传感器连接到电路时,噪声增益是:  1 + cs/ CF。 CS 是传感器电容器、CF 是反馈。 例如、考虑到传感器中有1nF 的电容与10nF 串联(直流阻断)、我们将使用909 pF 的 CS 和62pF 的 CF、因此增益将是15.66 、即6、 然后它应该会稳定、如果我是对的、您会告诉我吗？

尊敬的@  @ Nick Nauman 和 Michael Steffes 我还注意到、OPA838的输出端连接到一个连接器进行测量(无负载连接到 OPA838)、PCB 上的线迹的电容约为18 PF (线迹长度为110mm)、 这是否会导致不稳定？ 如果需要、如何进行快速测试？ 要验证这是否就是问题所在？   

尊敬的 Behnam：

由于我不在办公室，我对我的延迟答复表示歉意。 根据您的问题发表一些评论：

1.感谢您分享您的布局片段。 我建议查看数据表的第9.4节、了解建议的布局指南。 IN-的反馈路径和信号输入似乎有一条大线迹、这将增加电容并可能影响器件的稳定性。

2.要测试连接到 OPA838的空载的影响以及计算出的 PCB 迹线电容为18pF ,您可以在仿真中添加一个 Cload。 具有 Cload 确实会影响电路响应、因此应该对此进行测试。

3.您参考的示例中使用了非对称电源，以允许输出电压范围达到0V。 如果您的应用不需要该特性、则不需要非对称电源。

谢谢。

尼克

您好、  Nick Nauman：

非常感谢您的回复、我在 OPA838的数据表中注意到它 对电容负载非常敏感：  

考虑到 OPA838也不是单位增益稳定的、所以我要寻找一个具有以下特性的替代器件、您的伸手可及距离可以带来一个合适的替代  

-低功耗

-最终的闭环带宽6 -7 MHz

-非常低的输出电压噪声(高信噪比)(输入信号是一个非常小的电流,由超声波传感器和这个跨阻放大器产生-应转换为电压),所以高 SNR 是跨阻放大器的最优先考虑因素。

-传感器输入电容1nF

-运算放大器的输出端将在初始测量时打开,但最终将连接到电压放大器级的输入端  

-对电容负载不是很敏感

请告诉我您还需要了解哪些信息才能获得准确的选择。

您好、 Nick、

@ Nick Nauman  非常感谢你的所有帮助。  

我有一个问题、同时考虑到 OPA838/OPA837、我了解到负载效应会对 OPA 电路产生不利影响、因此该考虑因素非常重要。 我想针对以下情况考虑并设计新 PCB 中的输出电路：

第一种情况：我想将 OPA837/OPA838连接到下一级电压 LNA (低噪声放大器)、 我应该向输出电路添加哪些元件或电路、以确保 OPA 的稳定性并确保 OPA 不会受到下一级的影响？ 也不影响 LNA 电路？ LNA 的输入阻抗为115欧姆(LNA 的输入阻抗可调，最小为115欧姆)。 请告诉我、对于 OPA383、我是否应该考虑使用与 OPA837不同的电路。  

第二种情形： 我想使用普通示波器(10x 探头)测量 OPA 的输出、我是否应该将 SMA 连接器直接连接到 OPA 的输出引脚？ 或 还需要一些额外的组件？  

 谢谢  

尊敬的 Behnam：

第一种情况：

您能否分享您正在使用的 LNA？ 通常情况下、放大器具有高输入阻抗、因此输入信号不会被加载、也不会从放大器的输入阻抗衰减。

第二种情况：

您能否确认您正在使用10x 示波器探头或是否正在使用连接到示波器的 SMA 电缆？ 如果使用 SMA 电缆、则需要一个 SMA 连接器和一个端接电阻器来匹配传输线的50欧姆阻抗。 阻抗匹配将减少可能导致不稳定的反射。 如果您使用10x 示波器探头、这些探头将具有高阻抗、因此不需要 SMA 连接器或端接电阻器。 但是、使用 OPA837等高速器件时、反射可能会出现并会导致不稳定、因此最佳做法是使用传输线、例如 SMA 电缆连接到测量设备。

谢谢。

尼克

您好、Nick、

LNA 的输入阻抗从115欧姆到3K 欧姆不等,可通过一些寄存器调节,LNA 是工业设备中几个放大器的第一级,它像一个非常精确的示波器,就像你看到的勤奋的发现2 板. 这是用于过滤、放大、监控模拟信号的装置。 我计划将 OPA 的输出连接到此器件以进行测量。 此外、在我的电路板和监控器件之间有一条非常长的70 CM 电缆。

请参见下图：

平面波–第4卷、第1期–Vantage Research 超声系统接收路径中的信号调节为研究项目增加了灵活性和效率- Verasonics

对于第二种情况、我计划使用连接到示波器的 SMA 电缆。

谢谢  

尊敬的 Behnam：

我将研究 LNA 的低输入阻抗对 OPA837的负载有何影响。 另外、70cm 是一根长电缆、因此我将了解这根电缆会对电路稳定性产生哪些影响。

对于第二种情况、如果您使用的是连接到示波器的 SMA 电缆、请确保使用 SMA 连接器和端接电阻器、以便可以对传输线进行阻抗匹配。

谢谢。

尼克

尊敬的 Nick：

非常感谢您的讲解。 实际上、我需要同时使用 OPA838和 OPA837来研究负载效应。

关于将 端接电阻器用于 SMA 连接器、我需要在 OPA838的输出端串联一个电阻器、以解决稳定性问题、如下所示、将输出与容性负载隔离(数据表第23页)：

该隔离电阻器伺服是否也用作 SMA 的端接？ 如果不是、您能否告诉我应该在电路中的什么位置添加此端接电阻器？  

提前感谢

尊敬的 Nick：

非常感谢您,它是如此的有帮助和信息丰富。 现在、SMA 的连接已清晰。

请告诉我、我们如何管理 LNA 加载影响？ 考虑它的阻抗115欧姆？ 我们是否应该使用另一个元件(R、C、...)？  

谢谢

Behnam,

尊敬的 Alec：

非常感谢,它是超级有用和有帮助的,我感激它:

因此、在本例中、由于 PCB 布线的原因、我将具有一个电容 (取决于布线长度)、然后在 OPA838的数据表中提到它不能支持超过6pF 的电容负载、 然后、我需要添加一个隔离电阻器、 以便按如下公式计算隔离电阻器：

隔离电阻器 Riso 取决于负载电容 Cload 和 TIA 的带宽。 假设 Cf = 33pF 且 Rf = 1k、TIA 在大约 fp = 4.823 MHz 时具有极点频率。 高于 fp 时 、增益将下降。 在假定 Cload = 20pF 且 RC 滤波器截止频率远高于 fp (例如3 x fp)的情况下、隔离电阻器应为 Riso = 530欧姆(例如550欧姆)、 我在这里吗？ ？

那么对于匹配的网络、我需要选择 R4= 145 Ω ，使 115 Ω 匹配阻抗。 请告诉我、我的做法是否正确？  

(我不明白的是、@Δ V 3MHz capacitor Impedance = 2652 Ohm、然后它会影响匹配网络、对吗？ 如何解决此问题？)

我还附加了 TINA TI 文件。  

e2e.ti.com/.../4048.Transimpedance-test.TSC

似乎我有更少的 总计噪声 (我的意思是不使用匹配的电阻器)、它是否紧密？ 我期待其他方面！

此致、

Behnam,

您好，Behnam：

我一直在实验室项目上工作、本周和下周我都会很忙。  请在此处添加您的更新、但我目前无法提供进度的更新。

此致！

亚历克