OPA211 seltsamer Frequenzgang --- warum?

Ich verwende einen OPA211 im Differenzmodus mit Einheitsverstärkung. keine externe Vergütung. Ich bekomme eine rätselhafte Bandbreite von ~10 MHz (Spezifikationen zeigen eine Bandbreite von 45 MHz bei G = 1) mit einer Spitze bei 8 MHz (im Einklang mit dem schrecklichen Überschwingen / Klingeln, das ich sehe, wenn ich einen Rechteckwelleneingang einspeise).

Hier sind die Details meines Designs und meines Setups zur Messung des Frequenzgangs:

Schema:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Leiterplatte:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und das ist der Frequenzgang, den ich bekomme:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Masseebene befindet sich auf der unteren Schicht, und die obere Schicht hat eine Kupferfüllung, die an den Pins des BNC-Randsteckers (J1) mit GND verbunden ist. Dieser BNC-Anschluss (J1) hat 50 Ω; Ich verbinde es mit einem 50-Ω-BNC-Kabel, das zu einem Eingangserfassungsgerät mit 50-Ω-Abschluss führt (eine 16-Bit-Digitizer-Karte mit 180 MSPS auf einem PC --- die Karte selbst gibt eine Eingangsbandbreite von 65 MHz an).

Eingangsseitig gibt es allerdings keine Impedanzanpassung --- zur Messung des Frequenzgangs verwende ich einen Signalgenerator mit 50Ω BNC-Ausgang, habe aber ein Kabel angeschlossen, das von BNC/Koax auf Clips geht, und wie man sieht , geht der Eingang über einen Kopfstecker (eher wie ein Molex-Typ, mit Verriegelungsgehäuse) zu meiner Platine.

Übrigens habe ich beim Messen des Frequenzgangs eine Sinuswellenform mit 100 mV Spitze-zu-Spitze verwendet, um Probleme mit der Anstiegsgeschwindigkeit (27 V/us gemäß Datenblatt) zu vermeiden.

Das Klingeln sollte nicht überraschen: Es könnte darauf zurückzuführen sein, dass der Operationsverstärker immer näher an die Instabilität herankommt, wenn er auf eine niedrige Verstärkung gedrückt wird. Aber die geringe Bandbreite ist ziemlich überraschend --- gerade bei den geringeren Verstärkungen sollte ich mit einer höheren Bandbreite rechnen, oder?

Ich gehe auch davon aus, dass parasitäre Kapazität oder Induktivität (Platine, Leiterbahnen, Masseebene usw.) bei so niedrigen Frequenzen kein Problem darstellen sollte (ich würde erwarten, dass diese im Bereich von Hunderten von MHz eintreten). Im Übrigen sollte die Impedanzanpassung (oder fehlende Impedanzkontrolle bei der Bestellung der Leiterplatte) beim Klingeln bei einer so niedrigen Frequenz keine Rolle spielen, oder?

Irgendwelche Ideen, warum so eine niedrige Bandbreite und warum die Spitze bei 8 MHz?

Mit der richtigen Gain-Balance können Sie 50/75 Ohm (HF) oder 600 Ohm Audioeingang mit großartiger Leistung haben. Der Schlüssel scheint darin zu liegen, die Eingangswiderstände in jedem Fall unter 1 K zu halten.

Antworten (4)

Ihre Widerstände sind zu hoch. Die differenzielle Eingangskapazität dieses Operationsverstärkers beträgt 8 pF, was Ihnen einen Pol bei 2 MHz gibt.

Parasiten von der Grundebene helfen auch nicht.

Versuchen Sie es mit 1K-Widerständen.

D'oh! Richtig, ich hatte bereits darüber nachgedacht, diese Werte zu senken, aber ich hielt nicht inne, um nachzudenken – oder zu rechnen –, was die Auswirkung auf dieses spezielle Design sein würde!
Etwas besser, weniger als 1k zu verwenden

Die Instabilität kommt von positiver Streurückkopplung (p3), die größer ist als die negative Streurückkopplung (p2).

Alles, was es braucht, ist eine Differenz von 0,1 pF bei der Verstärkung der Einheit, und Sie können eine Oszillation bekommen und sind fast da.

Die Widerstände und die Bahnen bilden schwache Kondensatoren. Rf=500~750 ist nahezu optimal für diesen Teil.

Das Layout ist bei diesen Designs entscheidend. Die Masseebene sollte aus dem Bereich in der Nähe der Eingangspins entfernt werden, um die Streukapazität zu reduzieren. Der Zo steigt auch auf 50 Ohm bei 10 MHz, da keine negative Rückkopplungsverstärkung vorhanden ist, was einen weiteren LPF mit 10 k bildet. @2MHz

Wenn Sie sich das Datenblatt genauer ansehen, zeigt Abb. 24 die optimale Reaktionsspitze mit etwa 5 % Überschwingen, wie sie zeigen, mit 6,8 pF hinzugefügtem Negativ. Feedback und 680 Ohm für R statt 10k. Die 10pF-Last soll einen 10:1-Tastkopf simulieren und kann sich auch auf diesen Wert auswirken.

Dieser Operationsverstärker ist nicht ideal für einen 50-Ohm-HF-Puffer mit Einheitsverstärkung. Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der OPA211 Zout aus dem Datenblatt entspricht einer Impedanz von 1 uH.

Abschluss:

Sie können nicht immer das volle BW von Unity Gain bei GBW-Produkten erhalten. Dies ist eine Tatsache, dass Damn Fast Buffers schwer zu perfektionieren sind und dieser hier ist keine Ausnahme. Dieser IC wurde von vielen anderen Vorgängern mit 100-mal mehr Bandbreite unter Verwendung von Stromrückkopplung übertroffen.

Sogar dieser hat eine Leistungsbandbreite von 100 MHz um '75,
was ich bevorzuge

Wenn Sie bessere Ergebnisse wünschen, geben Sie bessere Spezifikationen an. Dieser hat einen Kompromiss beim Erreichen eines sehr niedrigen Rauschens und eines niedrigen Versorgungsstroms. Was brauchen Sie wirklich?

Einige Klarstellungen: (1) Wenn "positive Streurückkopplung (p3) mehr als negative Streurückkopplung (p2) ist", meinen Sie, dass die Streu- / Parasitärkapazität von Pin 6 zu Pin 3 höher ist? (Das scheint irgendwie unvermeidlich zu sein, da Pin 3 physisch näher an Pin 6 liegt als Pin 2). (2) Warum ist der Open-Loop-Zo wichtig? Sobald Sie Feedback verwenden, verhält sich der Ausgang fast wie Zo = 0, aber das spielt keine Rolle, da es die Quelle der Welle ist. Bei reflektierten Wellen, die zum Ausgang zurückkommen, hilft der 50-Ohm-Rout, Energie abzuleiten. Ist mein Verständnis fehlerhaft?
Zout=Zo/Av und wenn Av offener Regelkreis =1 Zout=Zo und der Streu-pF von Bedeutung sind, wenn die R-Rückkopplung zu hoch ist. Aus diesem Grund haben sie etwas < 1k ausgewählt. Wenn Sie lernen, wie man Verhältnisse berechnet und Haltepunkte schneidet, Q usw. usw. auf meiner Log-Kurve misst, ist dies eine Möglichkeit, dies zu betrachten.
Wenn Sie eine lineare Verstärkung von 50 MHz wünschen, sagen Sie dies einfach und geben Sie alle anderen Spezifikationen an
Es ist nicht so sehr ein Fall von "Ich möchte 50 MHz", sondern eher "Ich muss Kanten an Rechteckwellen-Differenzsignalen sehen, und ich möchte, dass diese so scharf / schnell und sauber wie möglich sind" ... Ich kenne diese Spezifikationen wie "so ___ wie möglich" sind gefährlich --- man könnte immer zu einer 200-Millionen-Dollar-Lösung kommen, was ja mehr ___ ist als die anderen! :-) Ich schaue mir Alternativen wie den OPA847 (weil er Pin-kompatibel ist) und den THS4509 an ... Jetzt haben Sie "Stromrückkopplung" als potenziell bessere Alternative erwähnt. Könnten Sie diese im Vergleich zu den paar Optionen, die ich unterhalte, kommentieren?
Anstiegszeit 10~90 % = 0,35/BW. Wie viel BW Sie benötigen, hängt genau von der Anstiegszeit ab. Beispiel 1 ns Anstiegszeit für 350 MHz an 50 Ohm 10 Vpp = 200 mA / ns, 10 V / ns sind nur 5% der 50-MHz-Rechteckwelle, um die 7. Harmonische leicht gedämpft zu bekommen ... so? Siehe meine verwandten Antworten electronic.stackexchange.com/questions/352304/… dies wird 1,2 Vpp mit 1200 V/us tun. Strom ist das Problem G = +2, < 0,1 dB Peaking, Rf = 750 Ω 350 MHz min. 440 MHz typ. 100 R Last OK mit 50 Quelle, dann Koax, dann 50 R Term

Sie lesen nicht die feinen Details im Datenblatt. Die differentielle Impedanz beträgt 20 K/8 pF. Abbildung 24 zeigt einen Inverter mit einer Verstärkung von -1 unter Verwendung von 604-Ohm-Widerständen und einem 5,6-pF-Rückkopplungskondensator.

Es wird vorausgesetzt, dass ein Rückkopplungskondensator für die Stabilität zwingend erforderlich ist, um jegliche parasitäre positive Rückkopplung zu überwinden.

Dies knüpft an die Antwort von Spehro Pefhany an, nämlich die Widerstände bei 1 K oder weniger zu halten, insbesondere an den Eingängen. Dies ist ein HF-Verstärker, also behandeln Sie ihn wie einen. Dass er großartige Audioparameter hat, ist nur ein Zeichen dafür, wie weit die Technologie fortgeschritten ist, aber verdrahten Sie ihn nicht als Audio-Operationsverstärker mit 10-K-Widerstandseingängen usw.

Eine Zeichnung zeigt eine Verstärkung von 10 mit 1 K Eingängen und 10 K Rückkopplung. Als differenzieller Operationsverstärker scheinen 500-Ohm-Eingänge mit 10 K gegen Masse und eine 10-K-Rückkopplung mit einem Rückkopplungskondensator von 4 bis 6 pF eine Verstärkung von 20 (26 dB) bei einer großen Bandbreite zu erreichen.

Die Diagramme zeigen, dass ein Gewinn von 100 möglich ist, jedoch bei stark reduzierter Bandbreite. Sie können einen großartigen Audioverstärker oder einen großartigen HF-Verstärker haben, aber nicht beides gleichzeitig.

Wo steht 5pF? Abschnitt 7.6 sagt 20k/8pF. In Bezug auf Abb. 24 --- Ich denke, der Rückkopplungskondensator hängt eher mit der kapazitiven Last zusammen, oder? Der typische Ratschlag, den ich gesehen habe, besteht darin, den Widerstand so nahe wie möglich am Ausgang in Reihe zu schalten, um die parasitäre Lastkapazität zu minimieren . Ich denke, ich habe vielleicht ein paar pF (ich schätze, erheblich <10 pF, nein?) Parasitär vom Ausgang zu GND (beim Layout habe ich nicht auf Erdung und GND-Ebene geachtet), also werde ich wohl platzieren sowieso eine Rückkopplungskappe (zumindest erlaubt es mir, mich mit unterschiedlichen Kapazitätswerten abzustimmen)
@Cal-Linux. Spannungs- oder Leistungsgewinn? 60 dB sind eine Verstärkung von 1000.
@Cal-Linux. Ich habe diesen "Fehler" in der Mathematik korrigiert.

Irgendwelche Ideen, warum so eine niedrige Bandbreite und warum die Spitze bei 8 MHz?

Es liegt wahrscheinlich an der Ausgangsimpedanz des Verstärkers:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es sieht so aus, als ob der Ausgang in diesem Frequenzbereich nicht auf 50 Ω abgestimmt ist (was bei 10 MHz wahrscheinlich keine große Sache wäre, da Übertragungsleitungseffekte noch nicht richtig einsetzen).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es sieht auch so aus, als hätten sie zwei Pole in der internen Kompensation des Verstärkers, um das Durchlassband sauber zu halten (angezeigt durch die Phasenunterschiede und die leichte Änderung des Rolloffs (in Rot)).

Ich würde versuchen, den Verstärker bandzubegrenzen und direkt vor den 8 MHz einen Pol einzubauen, wenn das akzeptabel ist

OPA211 seltsamer Frequenzgang --- warum?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 1v