Doppelspitzenphänomen in der Simulation von Transimpedanzverstärkern

Ich simuliere eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung, um ein Phänomen zu reproduzieren, das mein Team erlebt. Das Phänomen ist unten im rot eingekreisten Bild zu sehen:

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Mein Photomultiplier hier in der Simulation wird bei 10 ns von der Spannungsquelle V1 getriggert, und Sie können in diesem großen Peak vor dem roten Kreis sehen, dass unser Signal vom Verstärker verstärkt wird. Wir erhalten jedoch auch einen kleinen Peak, wie im eingekreisten roten Teil gezeigt. Ich verstehe nicht, warum dies geschieht, aber ich weiß, dass es deutlicher wird, wenn Sie den Rückkopplungswiderstand R1 verringern. Hier ist eine Ansicht davon bei 50 Ohm:

50

Wenn ich den Rückkopplungswiderstand zu hoch erhöhe, wird das Signal abgeschnitten, und das versuche ich zu vermeiden. Ich denke nicht, dass dies unbedingt ein exklusives Problem des Operationsverstärkers ist, da ich dieses Problem auch bei verschiedenen Operationsverstärkermodellen sehe, aber warum tritt dies auf und was kann ich dagegen tun?

BEARBEITEN: Als Antwort auf eine der Antworten ist hier das Ausgangssignal, wenn der Rückkopplungswiderstand 100 Ohm beträgt:

100 Ohm

Hier können Sie Clipping sehen, wenn es 1,13 Volt erreicht. Dies ist die Situation, die mein Team zu vermeiden versucht; Anstatt das Signal zu beschneiden, wollen wir einen Impuls, wie er in den vorherigen Bildern zu sehen ist (allerdings ohne die zweite rot dargestellte Spitze).

BEARBEITEN: Wie vorgeschlagen, habe ich eine Kleinsignalanalyse meiner Schaltung durchgeführt, indem ich eine kleine 15-mA-Wechselstromquelle (maximale Strombegrenzung des SiPM) in die Schaltung eingespeist habe:

Strom AC

Dank eines Kommentars habe ich die anfängliche Analyse mit einer Wechselspannungsquelle falsch durchgeführt, also habe ich sie noch einmal mit der Stromquelle durchgeführt. Ich habe die Richtung der Quelle basierend darauf gewählt, wie der Strom durch das SiPM fließen würde (es scheint, dass das Ändern der Richtung der Quelle nur die Phase umkehrt), und der DC-Trigger schien keine merkliche Auswirkung auf die Schaltung zu haben (basierend auf beim Ausführen mit/ohne Trigger). Ich sehe ungefähr 5 Spitzen in der Grafik, aber was bedeutet das in Bezug auf die Schaltung?

BEARBEITEN: Entschuldigung, dass ich das nicht früher erwähnt habe, aber ich verwende ein Modell des SensL MicroFJ-60035-TSV SiPM für meine Schaltung.

Eine Frequenzbereichssimulation (AC-Sweep) Ihrer Schaltung sollte Ihnen einen Hinweis geben, warum dies geschieht. Leiten Sie einen Wechselstrom in den IN1-Knoten ein.
Entschuldigung, aber wenn es nicht klar ist, die Phase von LOAD1 ist die gleiche wie bei OUT1. R2 beeinflusst die Phase nicht.
@JonathanS. Ich habe ein Diagramm meines AC-Sweeps in die Schaltung eingefügt, obwohl ich Probleme habe, die Ergebnisse zu verstehen. So wie es jetzt beim AD8014 ist, beginnt es bei -6 dB, das heißt, es gibt keine Verstärkung? Es ist das gleiche, wenn ich die Frequenz bei 1 Hz anstelle von 10 kHz starte, geht nie über 0 dB. Was bedeutet das?
Sie haben den AC-Sweep falsch gemacht - Sie müssen eine Stromquelle verwenden , keine Spannungsquelle. Trennen Sie Ihre Fotodiode und ersetzen Sie V4 durch eine Wechselstromquelle. Der Wert in dB ist für diese Simulation irrelevant, man muss nach Spitzen in der Antwort suchen.
@JonathanS. Danke. Das tut mir leid. Ich ging mit einer Wechselstromquelle, wie Sie sagten, und veröffentlichte die Ergebnisse in der Post.
Diese Spitze bei etwa 150 MHz im Frequenzgang ist das Klingeln, das Sie sehen. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die Phasenverschiebung des Operationsverstärkers bei dieser Frequenz anzusteigen beginnt und die Rückkopplung am invertierenden Eingang (leicht) positiv wird. Sie sollten in der Lage sein, dies zu kompensieren, indem Sie R1 möglicherweise in zwei Widerstände von 12,5 Ohm aufteilen und in der Mitte einen kleinen Kondensator zur Masse hinzufügen. Es ist schwer herauszufinden, warum genau das Peaking auftritt, also müssen Sie ein wenig herumspielen und den Frequenzgang beobachten. (Der Kondensator sollte wirklich winzig sein, wahrscheinlich 0,47 pF oder so)
@JonathanS. Ich habe versucht, was du gesagt hast, aber es hatte keinen Einfluss auf die Handlung. Die Resonanz blieb gleich. Ich habe festgestellt, dass durch Erhöhen der Rückkopplungskapazität dieser erste Peak (tatsächlich bei etwa 120 MHz) stärker geglättet wird, aber wenn Sie auf die Transientenanalyse zurückblicken, hat sich nichts gegenüber vorher geändert. Was ist mit den anderen höheren Frequenzspitzen? Ich habe diese Art von Diagramm auch bei anderen Operationsverstärkern anstelle des AD8014 (insbesondere des OPA656) gesehen, aber bei denselben Komponenten gab es kein Klingeln, obwohl es Unterschiede gab, wo die Spitzen auftraten.

Antworten (2)

Das Datenblatt des AD8014 zeigt deutlich, dass Sie bei einem so niedrigen Rückkopplungswiderstand eine deutliche Überhöhung des Ausgangssignals erhalten. Ich würde einen Widerstand von mindestens 100 Ohm in Betracht ziehen.

Wenn ich den Rückkopplungswiderstand zu hoch erhöhe, wird das Signal abgeschnitten, und das versuche ich zu vermeiden.

Im Moment beträgt Ihr Spitzensignal bei einer 50-Ohm-Rückkopplung 900 mV. Bei 100 Ohm werden es eher 1,8 Volt sein, vorausgesetzt, der AD8014 kann produzieren ± 3,4 Volt an seinem Ausgang sollten Sie in Ordnung sein. Wenn die Amplitude für nachfolgende Stufen zu hoch ist und ein Clipping dieser anderen Stufen verursacht, verwenden Sie einen Widerstandsdämpfer nach dem Front-End.

Danke für die Antwort. Ich habe ein Bild meiner Simulation gepostet, wenn die Rückkopplung 100 Ohm beträgt und bei 1,13 Volt abgeschnitten wird. Mein Team versucht dies zu vermeiden; Wir versuchen, statt eines abgeschnittenen Signals Spitzen zu erhalten, wie sie die vorherigen Bilder zeigen. Ich werde mir Ihren Vorschlag eines Widerstandsdämpfers ansehen. Was meinen Sie mit nach dem Frontend? Würde das Hinzufügen von mehr Widerstand durch ein Dämpfungsglied das Signal nicht auch verlangsamen?
@ user101402 Um zu sehen, was passiert, versuchen Sie auch, einen Widerstand parallel zur Fotodiode zu schalten, um einen Teil des PD-Stroms abzuleiten. Vielleicht 100 Ohm bis 1 kOhm. Es scheint mir, dass Ihr Fotodiodenstrom ziemlich groß ist.
Danke für die Antwort. Der Fotodiodenstrom ist laut Datenblatt des Herstellers für maximal 15 mA ausgelegt. Wir verwenden ein SensL MicroFJ-TSV-60035 SiPM.
Als Antwort auf einen anderen Kommentar habe ich eine Kleinsignalanalyse an meiner Schaltung mit einer Wechselspannungsquelle bei 180 mV durchgeführt, der ungefähren Spannung des SiPM im aktiven Zustand. Dieser kleine Einbruch am Ende scheint seltsam, und ich bin mir nicht sicher, wie dies das Phänomen erklärt.
Sorry für die ständigen Antworten. Jonathan S. erwähnte, dass ich meine Analyse falsch gemacht habe, dass ich statt einer Spannungsquelle eine Stromquelle verwenden sollte. Daher habe ich meinen AC-Sweep mit einer Stromquelle mit der Stromamplitude basierend auf dem vom SiPM erwarteten maximalen Strom erneut durchgeführt.
@ user101402 Ich habe gefragt, ob Sie Ihre Fotodiode mit einem Widerstand überbrücken könnten, um zu sehen, was passiert ist.
Die Verwendung eines Shunt-Widerstands, um einen Teil des Stroms auf Masse umzuleiten, hatte keinen Einfluss auf das Lastsignal.

Hochgeschwindigkeits-Transimpedanzverstärker sind sehr empfindlich gegenüber winzigen parasitären Induktivitäten der Eingangsleitung (wenige NanoH von nur wenigen mm Draht). Das verursacht „Klingeln“ oder sogar Schwingungen.

Doppelspitzenphänomen in der Simulation von Transimpedanzverstärkern
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