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[参考译文] OPA392:低噪声电压至电流转换器、也称为 激光二极管的压控电流源

Guru**** 2445440 points
Other Parts Discussed in Thread: CIRCUIT060046, TINA-TI, OPA392

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/1362224/opa392-low-noise-voltage-to-current-converter-aka-voltage-controlled-current-source-for-laser-diode

器件型号:OPA392
Thread 中讨论的其他器件:Tina-TI

您好!

我想设计一个低噪声 电流源来为 A 供电 单频激光二极管 . 该激光二极管对电流噪声非常敏感、因为电流的任何变化都会导致光学频率发生变化。 在光学应用中、激光二极管的频率需要非常稳定、因此驱动电流也需要稳定且具有低噪声。 有趣的频带为1Hz 至大约50kHz、因为该区域的噪声会对光学应用产生不利影响。 激光二极管在100 mA 下运行、具有大约2V 的正向压降

有几种解决方案似乎很受欢迎。

a) 在常见问题解答中、我发现了 有关激光二极管驱动器的建议。 它包含一个"具有晶体管的 Howland 电流泵":

我假设当使用阴极接地("CG")激光二极管时、这种配置可能是有利的。 我提出了这样的解释:对于"CG"、通常会使用额外的差分放大器或仪表放大器来检测分流电阻器 Rs 上的压降。 据我所知、 具有电流升压晶体管的 Howland 电流泵避免了使用这个额外的放大器、从而可能降低电路中的总体噪声(基于"天真"认为使用较少有源元件的电路会表现出较少的噪声)。

b) 但是、当激光二极管以电气方式"悬空"时、分流电阻可以接地、因此 通常建议使用更简单的电路(请参阅 CIRCUIT060046):

请注意、我在以红色显示的电路中添加了激光二极管。 其中、R5是分流电阻。 此外、该电路需要适应以匹配激光二极管(例如、移除 Rload、调节 Vload 等)。

关于电流噪声、我假设电路 B 的性能比电路 A 更好
不过、我对该领域的了解不多、因此想 知道应遵循哪种设计理念来构建低噪声驱动器。

谢谢。
Dan

  • 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。

    Dan、

    只要 T1线性运行(VCE>VSAT)、Vload 和 Rload 就没有区别。  对于100mA 的 LED 偏置电流、总电流噪声约为3.56uArms -请参见下文。

    您可以将 LED 移到集电极、从而导致略高的电流噪声-见下文。

    如果您想降低噪声、将 R3基极电阻器增大至10k 可将 LED 总电流噪声降低至1.56uArms 左右-请参阅下文。

    为了方便起见、我在下面附加了 Tina-TI 原理图。

    e2e.ti.com/.../OPA392-Low-noise-voltage_2D00_to_2D00_current-converter.TSC

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    您好 

    太棒了! 感谢您为回答我的问题所做的工作。

    感谢您分享您的 TINA-TI 文件。 我更改了电路以匹配目标配置(输入电压0-5V 且 Vcc = 5V)、现在噪声系数甚至低于1 µA、请参见此屏幕截图:

    我在下面附上了 TINA-TI 文件。

    现在、这些噪声系数令人印象深刻。 不过、我认为电压源是理想的、就像使用电池来运行电路一样。 在实际生活中、此电路由将24V 转换为8V 的直流/直流转换器和将8V 转换为5V 的线性稳压器供电。 直流/直流转换器将引入额外的噪声、我可能需要将其滤除。 如何仿真直流/直流转换器的该噪声?

    谢谢。
    Dan

    e2e.ti.com/.../20-Low-noise-voltage_2D00_to_2D00_current-_2800_0_2D00_5V_2C00_-0_2D00_125-mA_2900_-converter.TSC

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    Dan、

    您的电路具有更低的总噪声、这不仅是由于电源电压较低、而且还因为您将负载电流从100mA 降低到25mA (见下文)。   .

    如果您使用100mA 对 LED 进行偏置、则总噪声将为900nArms -如下所示。

    请注意、总噪声在较高频率下持续增加、因此 必须使用 LPF 限制信号才能获得该值。

    对于需要考虑直流/直流电源噪声的问题、最好使用线性电源。  话虽如此、可以使用以下电路模拟电源噪声的影响、并确定50kHz 时的 PSRR 抑制为62dB -这意味着1mVp 电源 噪声将在 Vshunt 处产生大约1uVp 噪声。

    提高 PSRR 的一种方法是在 Vcc 和 Vsup 之间添加一个低通滤波器(见下文)。  添加80欧姆电阻和1uF 可在50kHz 时将 PSRR 增加到近90dB (参阅下面)。  这意味着1mVp 电源 噪声现在将在 Vshunt 处产生大约0.0316uVp 噪声(降低~32倍)。  请确保25mA LED 电流使用的 Rsup 不要高于80 Ω、因为这可能会导致 T1和 OPA392非线性运行(请参阅下面的 Vsup 与 ve)。   

    e2e.ti.com/.../20-Low-noise-voltage_2D00_to_2D00_current-_2800_0_2D00_5V_2C00_-0_2D00_125-mA_2900_-converter-_2800_PSRR_2900_.TSC

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    您好、Marek、

    感谢您进行详细分析并提供您的 TINA-TI 仿真文件。

    我很高兴您能够将电源噪声包含在仿真中(PSSR 图)。  您是如何生成 PSSR 图表的? 我通过运行"AC Analysis > AC Transfer Characteristic"来重现它。 绘制图形后、我点击后处理按钮、并添加了用户函数"VP_Vcc (s)/VP_Vshunt (s)"。 它看起来与您的图类似、给出了大致相同的值。  我希望这是正确的方法、因为我不知道是否有其他方法。

    您会注意到、我仅使用25 mA 偏置激光二极管。 不错的地方 其正确的"工作点"位于100 mA 处、该位置是使用4V 的输入电压实现的。为了留出一些余量、输入电压可以增加到5V、从而通过激光二极管产生125 mA 电流。 查看此仿真:

    因此与仿真相比、我将输入电压增加到5V、将 Rshunt 增加到4欧姆(请参阅红圈)、以实现所需的直流传输结果(Vin=0 - 5V -> Iller= 0 - 125 mA)。 此外、 如您先前所指出、对于 Rsup、必须将其减小至10欧姆、以使 T1线性运行(VCE>VSAT)。 我将滤波电容器 C2增加到10uF 来实现这一点。

    在该配置中、PSSR 现在为88dB @ 50kHz (与您的结果非常相似)。

    你还警告说 " 总噪声在较高频率下持续增加 因此 必须限制信号 LPF 获得该值。"

    为了了解总噪声的去向、我将图形扩展到了10 MHz。  在仿真中总噪声达到3.6uA、见上面。

    现在的问题是:您将把的确切位置放在哪里 低通滤波器 建议的性能?

    我尝试了以下操作(下面随附了仿真文件):

    我加入了与激光二极管串联的 LPF、可以看到电路中的红色标记。 由于电压 Ve 较高、我必须将 Rsup 进一步降低到1 Ω。  这样可以将 PSSR 降低到76dB @ 50kHz。

    添加 LPF 可将10 MHz 处的总噪声降低至1.5uA、但它不会将总噪声限制为100kHz 处的值。 总噪声在100kHz 之后继续增加。

    您会在哪里放置 LPF 来更好地限制较高频率下的总噪声?

    谢谢。
    Dan

    e2e.ti.com/.../24-Low-noise-voltage_2D00_to_2D00_current-_2800_0_2D00_5V_2C00_-0_2D00_125-mA_2900_-converter-_2800_PSRR_2900_-_2B00_-LPF.TSC

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    您对 PSRR 的后处理是正确的:PSRR=Vcc/Vshunt。   

    为了限制噪声带宽、我会将 LPF 放在 LED 和电流设置电阻器 R5上-见下文。  我认为、高于10MHz 的总噪声增加是由开环输出阻抗(Zo)的不准确建模导致的、因此并非真实的(请参阅底部图)。

    e2e.ti.com/.../24-Low-noise-voltage_2D00_to_2D00_current-_2800_0_2D00_5V_2C00_-0_2D00_125-mA_2900_-converter-_2800_PSRR_2900_-_2B00_-2LPF.TSC

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     您解释总噪声增加的原因。 总之、我知道 高于10 MHz 的噪声急剧增加可能是 TINA-TI 的问题、我应该忽略它。

    这基本上就是我通过运算放大器输出阻抗测试所了解的全部内容。 无论您执行了什么操作来找出问题、是否有相应的应用手册加以说明?

    当我将 OPA392替换为不同的运算放大器时、我是否应该像以前一样忽略任何高于10 MHz 的噪声?

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    Daniel、您好!

    此刻的她美得不可思议。

    我想我们没有任何具体的 应用。 注意对于此精确电路、但在输出端进行滤波有关内容、请参阅我们高精度实验室视频的噪声部分:

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

    基本上、放大器只能提供有限的噪声抑制能力。  直接位于输出端的分立式滤波器始终有助于降低非常高频率下的噪声。

    此致、
    Mike

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    尊敬的

    感谢您的回复。 我观看了有关噪声的视频。 我必须要再次观看他们,以理解这个主题。

    然而,他们似乎没有讨论上述的马雷克问题。 这 是仿真结果中总噪声高于10MHz 的增加。  他写道、这可能是"由不准确的开环输出阻抗(Zo)建模导致、因此并非真实的(请参阅底部)"。 这种做法会损害我对仿真结果的信任。 我怎样才能知道什么是真实的、什么不是真实的? 由于我是个刚接触这个主题的新手、我使用仿真来改进电路中的噪声、现在我了解到结果甚至可能与实际电路不接近。 我该如何处理? 我是否应该假设处于的噪声值、例如、10 MHz 是电路的最大总噪声、而 忽略高于10 MHz 时的增加?

    谢谢。
    Dan

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    Dan、您好。

    我并不是要把这个作为一个基本的话题,我只是想确保你知道噪声演示。  实际上、这是一个棘手的问题。

    最终、输出阻抗将开始随频率下降、因为输出器件的寄生电容将成为主要阻抗。   输出阻抗实际上根据运算放大器的增益形成了一个电阻分压器-因此、如果输出阻抗保持平坦或在某个频率上升高、噪声密度永远不会降低、并且总(积分)噪声将随着频率的增加而继续增加。   我相信 OPA392模型可以通过最终使输出阻抗在非常高的频率下开始下降来得到改进。  但是、 对于13 MHz 放大器、我不会依靠模型来为您提供100 MHz 处 的准确噪声结果-我们通常只描述模型行为的特征、该模型行为的带宽高达放大器带宽的2-3倍。   我们确实有用于仿真的输出阻抗测量值、但这些测量值只适用于一种条件、不会将输出电流或电源的变化考虑在内。

    因此、如果您可以使用外部 R/C 电路、衰减肯定会更好。  您是否能够添加 Marek 提到的电容器、否则这会对您的电路造成问题?

    此致、
    Mike