Klingelt dieser Transimpedanzverstärker mit hoher Bandbreite (Multisim)?

Ich habe ein Front-End für die Hochgeschwindigkeits-Fotodiode S5972 entworfen. Siehe folgendes Schema.

Multisim-Schema

In Multisim ergibt eine AC-Sweep-Analyse das folgende Bode-Diagramm:

Multisim-Bode-Plot

1. Ist das vorgestellte Frontend stabil? Wenn nicht, welcher Teil des Bode-Diagramms sagt mir etwas über die Stabilität? Welchen Wert muss ich anpassen, um das Design zu stabilisieren?

Nach meinem Verständnis brauchen wir eine konstruktive Interferenz am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers sowie eine Verstärkung größer als Eins. Im Phasendiagramm des Bode-Diagramms beschreibt die blaue Kurve die Differenz zwischen der Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem Ausgang des Operationsverstärkers. Wenn die blaue Kurve -180 Grad bei etwa 230 MHz erreicht, ist die Bedingung der konstruktiven Interferenz erfüllt, jedoch liegt die Größe des Frequenzgangs unter Eins, daher gibt es keine positive Rückkopplung, die die Schaltung zum Klingen bringt.

2. Wie viel von meinem Verständnis ist richtig?

Was ich glaube zu vermissen ist, dass die Stabilität normalerweise in Bezug auf die Rauschverstärkung definiert wird. Der Grund für die Verwendung des Rauschens anstelle der Signalverstärkung (verwende ich die Begriffe in diesem Zusammenhang richtig?) ist, dass beide Verstärkungen unterschiedlich sein können. Zum Beispiel hat der invertierende Standardverstärker eine Signalverstärkung von -Rf/Ri, während er eine Rauschverstärkung von 1+Rf/Ri hat, obwohl wir also, obwohl Rf/Ri fällt, immer noch eine Einheitsverstärkung des Rauschens haben und das Rauschen kann in einer positiven Rückkopplungsschleife gefangen sein.

3. Ist das richtig? Wie würde ich die Rauschverstärkung mit Multisim simulieren?

Aktualisierung 1:

Wie gewünscht eine transiente Analyse einer gepulsten Stromquelle. Die gepulste Stromquelle ist so konfiguriert, dass sie bei 0 A startet. Nach einer Verzögerung von 100 ns springt die Stromquelle in 1 ns Anstiegszeit auf einen Wert von 440 µA. Die Impulsbreite beträgt 50 ns. Die Abfallzeit beträgt 1 ns. Die Periode zwischen den Impulsen beträgt 300 ns.

Vorübergehende Analyse

Was ist Einheitsgewinn BW? Was ist der Phasenabstand vor einer 180-Grad-Verschiebung und positiver Rückkopplung (instabil) bei Einheitsverstärkung BW? Warum wird Ccm mit -0 Ohm statt mit angepasstem R kurzgeschlossen?
Was ist die Drahtimpedanz? zu PD?
Wenn Sie Ihre Schaltung stanzen und eine parasitäre Eingangskapazität von ~ 3 pF am 847 (aus früheren Erfahrungen) in die TI-Rechner annehmen, sollte sie nicht oszillieren. In der Praxis wird es jedoch sehr schwierig sein, eine Rückkopplungskapazität von 0,25 pF zu erreichen, sodass Sie wahrscheinlich entweder etwas Bandbreite oder etwas Verstärkung aufgeben müssen.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 GBW des OPA847 beträgt 3,9 GHz. Bitte erläutern Sie Ihre anderen Fragen. Ich möchte die Kabelimpedanz zu diesem Zeitpunkt nicht berücksichtigen.
@ user1850479 Ich stimme zu, dass 0,25 pF als Kapazität aus praktischer Sicht schwierig sind. Welchen TI-Rechner hast du verwendet?
Führen Sie eine transiente Analyse mit einer Schritteingabe durch.
Was meinst du mit "klingeln"?
@BruceAbbott, dass Sie Schwingungen bei Vout messen, die nicht Teil des Signals sind
Immer noch nicht klar. Meinen Sie keine Schwingung über kritisch gedämpftes Überschwingen hinaus? en.wikipedia.org/wiki/Transient_response
@BruceAbbott werfen Sie einen Blick auf en.wikipedia.org/wiki/Frequency_compensation
Bodo Wo Vout= Vin-, Was ist eine Phasenverschiebung von -180 Grad? Ignorieren Sie meine obigen Fragen nicht und lesen Sie en.wikipedia.org/wiki/Lead%E2%80%93lag_compensator
Es ist klar, dass Sie eine hohe BW und ein geringes Rauschen wünschen, daher können Sie oberhalb von 2 MHz KEINEN BJT-Operationsverstärker verwenden und MÜSSEN einen FET-basierten Operationsverstärker mit niedrigem Stromrauschen wie OPA6xx verwenden. Draht ist ~ 0,5 nH/mm Geben Sie dies auch bei Modell und C an. Ihre Simulation ist instabil, Ihr TIA ist zu verrauscht und nicht realisierbar Verwenden Sie OPA6xxx und recherchieren Sie weiter
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Der OPA847 ist ein weit verbreiteter Operationsverstärker in kommerziellen TIAs mit ungefähr diesen Spezifikationen (50-200 MHz, wenige pF Eingangskapazität), daher stimme ich nicht zu, dass er ungeeignet ist. Viele gute Designs sind dabei, weswegen sich bodokaiser wahrscheinlich dafür entschieden hat. Haben Sie als Alternative an den OPA657 gedacht?
OPA847 ist ungeeignet, es sei denn, der Wechselstrom Ihrer Eingangs-PD-Quelle beträgt das 100-fache des Eingangsrauschstroms für SNR = 100 und BW = xxx MHz. Ja, OPA657 ist CMOS und hat eine hohe GBW
"Wenn die blaue Kurve bei etwa 110 MHz 180 Grad erreicht, "..." liegt die Größe des Frequenzgangs unter Eins", nein, versuchen Sie es erneut. f ~ 210 MHz und Av > 23 dB
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Haben Sie Literatur, die mir hilft, Ihre Definitionen zu verstehen? Ich bin kein Elektrotechniker und habe Schwierigkeiten, Ihre Fragen zu verstehen.

Antworten (2)

Zunächst einmal macht V_rev nichts, es ist in Reihe mit einer idealen Stromquelle (die eine unendliche Ausgangsimpedanz hat) und einem Kondensator (der keinen Gleichstrom koppelt) geschaltet, daher könnte es genauso gut 0 V sein (oder mit Masse verbunden sein).

  1. Ist das vorgestellte Frontend stabil? Wenn nicht, welcher Teil des Bode-Diagramms sagt mir etwas über die Stabilität? Welchen Wert muss ich anpassen, um das Design zu stabilisieren?

Ja, es ist stabil, innerhalb des Frequenzbereichs, den Sie überstrichen haben.

Für einen Verstärker mit Übertragungsfunktion:

G ( S ) = v Ö v ich

Wenn wir es in eine Rückkopplungsschleife stecken, wo die Rückkopplung eine Übertragungsfunktion H(s) hat, dann wird die neue Übertragungsfunktion mit Rückkopplung zu:

G ( S ) 1 + H ( S ) G ( S )

Damit ein Verstärker mit Rückkopplungsschleife stabil ist, muss der Nenner dieser Gleichung nicht gleich Null sein, dies geschieht, wenn:

H ( S ) G ( S ) = − 1

Das ist der Punkt, den wir zu vermeiden versuchen. Wenn wir diesen -1-Punkt bei irgendeiner Frequenz erreichen, dann ist das ganze System instabil.

Wie stabil Ihr System ist, hängt davon ab, wie weit es vom -1-Punkt entfernt bleibt, dh. was der minimale Abstand von der -1 ist, ist die Übertragungsfunktion bei der Frequenz, bei der sie am nächsten ist.

  1. Wie viel von meinem Verständnis ist richtig?

Was Sie beschreiben, ist einigermaßen gut verständlich.

  1. Ist das richtig? Wie würde ich die Rauschverstärkung mit Multisim simulieren?

Nein, das ist meines Wissens nicht korrekt.

Was ist Av-= Vout / Vin @ Vout, Phase = 180 Grad?
Warum wurde dies herabgestuft? Ich denke nicht, dass die Übertragungsfunktion in meinem Fall korrekt ist, da wir einen Transimpedanzverstärker (Strom-zu-Spannung) anstelle einer invertierenden Verstärkerkonfiguration haben.
Ich denke, es ist eine sehr schlechte Praxis, die Antworten anderer Leute abzulehnen, ohne eine Erklärung dafür zu geben, ich sehe überhaupt nichts Falsches an meiner Antwort. @TonyStewartSunnyskyguyEE75 ?? Was versuchst du zu sagen?
Ich habe gefragt, was sagt Ihnen Ihr Diagramm über die Gewinnspanne?

3: Rauschverstärkung

Dies ist definiert als das Verhältnis zwischen Vout und der internen Rauschspannung des Verstärkers: eine scheinbare Spannung in Reihe mit einem/beiden Eingängen zu einem idealen Differenzverstärker.

Die einfachste Art zu simulieren besteht darin, eine Spannungsquelle in Reihe mit einem Eingang hinzuzufügen, alle anderen auf eine Amplitude von Null zu setzen und diese zu wobbeln.

Das Einschwingverhalten sieht gut aus, leicht spitz, aber immer noch schnell einpendelnd. Angesichts des flachen Frequenzgangs sieht es ungefähr richtig aus: Beachten Sie, dass ein maximal flacher (Butterworth) Frequenzgang immer noch ein gewisses vorübergehendes Überschwingen aufweist. Möglicherweise treten zusätzliche Spitzen auf, die durch eine übermäßige Phasenverschiebung verursacht werden (was letztendlich begrenzt, wie hoch Sie die Bandbreite einstellen können, wenn eine gewisse Flachheits- / Überschwingungsanforderung gegeben ist), wahrscheinlich im Operationsverstärkermodell. Aufgrund von Komponentenimpedanzen, Leiterbahnlängen, Streuinduktivitäten/-kapazitäten usw. kann es in der realen Schaltung zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung kommen. Halten Sie das Layout kompakt.

Klingelt dieser Transimpedanzverstärker mit hoher Bandbreite (Multisim)?
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