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使用AD4530-1搭建光电二极管跨阻放大电路,并用AD8062和AD8476进行二次放大和差分转换,发现AD7705读取的差分电压值在某几个电压值区间会产生10mV左右的波动,脱离该问题值区间后波动又回到正常的0.5mV。

二极管为滨松的S12742-254,使用了ADA4530-1进行跨阻放大,二极管工作在光伏模式,二极管与放大器之间的接线使用了ADA4530的保护引脚包围。使用单电源供电。

现在发现电路输出的直流信号中包含正弦信号成分,可能存在振荡,但不清楚是否是导致AD7705采样值在特殊电压点值波动的主要原因。

跨阻放大后的信号经过AD8062构成的同相放大电路进行二次放大,两个电路连接方式为直接耦合,R6为多圈可调电阻器,信号经同相放大后依据R6阻值在0.0132V-3.4V区间移动。可调电阻器振动带来的误差因素已排除。

同相放大后使用AD8476将信号转为差分信号,INN端直接接地,参考电压2.5V,两个电路连接方式为仍为直接耦合,R8,R9为薄膜电阻,精度0.01%,C7,C8使用C0G材质贴片电容。当不接入光电二极管时,VOUT+与VOUT-间的压差为0.0113V,

VOUT+和VOUT-接入AD7705的第一组采样。基准电压使用AD1582通过5V电压转换而来。

器件布局如下:未连接的网络为GND,后续使用铺铜连接。四个固定螺孔不接入GND网络。光电二极管与AD4530-1的链接使用AD4530的引脚7GRD做屏蔽保护。

AD7705电压读数波动如下图,读数的采样频率为50Hz,该图显示了差分电压值读数下降后又上升的一个过程,电压在该变化过程中,遇到了一个会引发波动增大的电压值区间,并由此产生了两个波动段,在2.5V参考电压下,波动段电压值为1.893-1.934V,波动区间内两次电压读数差值最大为8.9mV,波动段区间外电压波动为0.2mV(扣除电压正常变化量)。采样点1000左右的平直电压读数为虚拟值,此时在执行其他机械运动未进行读数。

现在需要解决波动问题,让光电信号转换后在0-2.5V的区间内,任意两次连续读数间的波动都能小于0.5mV,且最好能减弱跨阻放大振荡产生的正弦分量,输出纯净的直流信号。

被测光信号并不是恒定值,也会变化,光信号最大变化下对应AD7705的两次读数变化值也在10mV左右(估测值,后续会调整),在50Hz采样下,为0.5uV/us。

目前尝试过移除AD8476,直接采样AD8062的输出信号,该问题并未改善,且正常的波动被扩大到1mV。

每次上电后发生波动的电压值点并不相同,电路板所处环境温度在45-60摄氏度。

本人是第一回接触模拟电路,跨阻放大电路和同相放大电路是从别人那里接手的设计,我这边只添加了AD4530的GRD保护区和AD8476的差分信号转换,不知道是否是设计有误。还是器件的选用上有问题。

Parents
  • 1. 你需要把你的TIA电路的需求先说清楚,主要包括跨输入电流范围和输出电压范围(一般的TIA设计需要进尽可能将增益的压力放在第一级,第二级的增益尽量小),带宽(或者上升时间);

    2. TIA电路输出正弦波,这个正弦波的带宽是多少?

    3. ADA4530-1作TIA电路的应用,如果是单电源供电,你需要在同相端加偏置电压,如果按照你的电路设计同相端接地,意味着输入共模电压为0V,达到负电源轨,这样会使得放大器工作在临界状态。如果你的通向端接地,最好采用双电源供电。

    我觉得你的整体的电路设计可能存在问题,需要先仿真一下。所以你先把你的需求告诉我,我们再一步步来解决问题。

  • 感谢您的回复。

    1.有关TIA的输入电流范围,这边将光电二极管空载接入光路,原本应与ad4530负输入端连接的针脚输入电流范围在负0. 1uA-负0.18uA(电流为直流,电流变动受光路光强影响,光强会在某个时间点发生突然下降然后上升的脉冲,两个脉冲之间的时间间隔最短约2分钟,,远长于单个脉冲的持续时间)。该电路需要将该输入电流转换并放大为正0-2.5V的直流输出电压。关于输出电压的上升时间,要求从2.5V降到0V的时间小于500ms。

    2.并不能完全确定该正弦信号是TIA产生的,测试时信号还经过了第二次放大,正弦信号频率记得在几兆赫兹,电路的探针接口已经拆除,等重新测量后再告知您具体数值。

    3.同相端加入偏置电压后,是否也需要将相同的偏置电压加到二极管的正极?目前使用的电路,在无光电二极管输入的情况下,输出电压为0.0132V,是否是您所说的临界区的影响?

  • 1. 这个光强的脉冲 上升时间 和 下降时间分别是多少,这个参数决定了TIA需要多大的带宽,你的这个TIA电路需要重新计算一下。

    2. 如果是几兆Hz的正弦,可能出现震荡。

    3. PD管的偏压决定了PD的结电容跟放大器的偏压是不一样的,如下图所示:

    输出电压如此之小,肯定是临界态了!

  • 1.该光路光强脉冲的发生是由于遮挡引起的,每次从开始遮挡到达到遮挡峰值(不一定完全遮挡住光源)的时间(应该对应你说的下降时间)最短为1秒,从遮挡峰值到完全不遮挡的时间(应该对应你说的上升时间)最短也为1秒。

    这个是对一次光强脉冲的采样,16位采样,频率50hz,脉冲起始和结束时采样值的急剧变化是因为采样系统在处理其他任务暂时中断了采样过程,其他数据均为可信值

    这边对TIA电路的带宽要求很低,从0到2.5V的上升时间和下降时间只要是遮挡过程1秒的一半以下,也就是小于500ms就可以,但对整个TIA电路的噪声要求比较高,在光路稳定的情况下,到采样芯片端的输出电压的波动小于100uV。

    2.振荡的波形我提取出来了,频率为1.8MHz

    该振荡可被电阻R8R9,电容C7C8和额外在两个差分线间接的103独石电容组成的滤波器滤除,滤波器输出的信号如下

    3.滤除掉该振荡后,发现本问题中所述的,当输出电压在某几个特定数值区间时,输出电压会产生10mV左右的波动的这个问题仍然存在,想问下您这边对该问题有什么解决办法,之前您说二级放大的增益不能过大,我这边二级同相放大的闭环增益是1~21可调,这个二级放大的增益范围是否可行?

  • 我仿真了一下,由于ADA4530-1的开环增益Aol在0dB的时候存在一对零极点,这样会导致Rate-of-Closure大于40dB/Dec,由此而震荡。

    AC开环仿真如下:

    Transient仿真,出现震荡:

    所以你需要调整你的补偿电容,你的补偿电容为100nF太大,导致的1/Beta曲线的增益过低,因此1/Beta与Aol的Rate-of-Closure的为40dB/Dec,所以震荡。调整补偿电容为1n,阶跃响应无震荡。

    加上后级增益的Noise仿真结果为 53.825uVrms(1MHz范围内) 

  • 感谢您的指点

    我看到您使用了ADA4510作为该电路的二级放大器,这个器件我这边的供应商目前没有库存,可否有其他替代方案?若要保证电路当前的噪声水平不受影响,二级放大器的选择需要必须满足哪些指标?

    另外,我之前在使用ADI官网提供的光电二极管电路设计向导时,发现如果选择了两级放大,其通常会在两级放大器之间接RC滤波电路,这个RC滤波电路如果电容的取值较大,是否也会引起电路的振荡呢?

    关于以上两点问题,希望能得到您的进一步指点,谢谢。

  • 1. 如果是单电源5V供电,可选择AD8655或者AD8605,如果是双电源,可以选择AD8671/2,或者AD8675/6.

    2. 不会的,只要R不要太小,基本不会震荡,但RC需要基于你的带宽来设计,肯定要大于你需要的带宽。

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