Respuesta de frecuencia extraña OPA211 --- ¿por qué?

Estoy usando un OPA211 en modo diferencial con ganancia unitaria; sin compensación externa. Obtengo un desconcertante ancho de banda de ~10 MHz (las especificaciones indican un ancho de banda de 45 MHz en G = 1) con un pico de 8 MHz (en consonancia con el horrible sobreimpulso/timbre que veo cuando introduzco una entrada de onda cuadrada).

Aquí están los detalles de mi diseño y mi configuración para medir la respuesta de frecuencia:

Esquemático:

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TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO:

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Y esta es la respuesta de frecuencia que obtengo:

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El plano de tierra está en la capa inferior y la capa superior tiene un relleno de cobre que está conectado a GND en los pines del conector de borde BNC (J1). Este conector BNC (J1) es de 50Ω; Lo conecto a un cable BNC de 50 Ω que va a un dispositivo de captura de entrada terminado en 50 Ω (una tarjeta digitalizadora de 16 bits de 180 MSPS en una PC; la tarjeta en sí especifica un ancho de banda de entrada de 65 MHz).

En el lado de entrada, sin embargo, no hay coincidencia de impedancia --- para medir la respuesta de frecuencia, uso un generador de señal con salida BNC de 50 Ω, pero conecté un cable que va de BNC/coaxial a clips, y como puede ver , la entrada va a mi placa a través de un conector tipo encabezado (más como un tipo Molex, con carcasa de bloqueo).

Por cierto, al medir la respuesta de frecuencia, utilicé una forma de onda sinusoidal con pico a pico de 100 mV para evitar problemas con la velocidad de respuesta (27 V/us según la hoja de datos).

El timbre no debería sorprender: podría atribuirse a que el amplificador operacional se acerca cada vez más a la inestabilidad cuando se empuja a una ganancia baja. Pero el bajo ancho de banda es bastante sorprendente --- precisamente, en las ganancias más bajas debería esperar un mayor ancho de banda, ¿verdad?

También espero que la capacitancia o inductancia parásita (placa, trazas, plano de tierra, etc.) no sea un problema en frecuencias tan bajas (espero que se activen en el rango de cientos de MHz). De hecho, la coincidencia de impedancia (o la falta de control de impedancia al pedir la PCB) no debería desempeñar ningún papel en el timbre a una frecuencia tan baja, ¿verdad?

¿Alguna idea de por qué un ancho de banda tan bajo y por qué el pico a 8 MHz?

Con el equilibrio de ganancia adecuado, podría tener una entrada de audio de 50/75 ohmios (RF) o 600 ohmios con un gran rendimiento. La clave parece ser mantener las resistencias de entrada por debajo de 1 K en todos los casos.

Respuestas (4)

Sus resistencias tienen un valor demasiado alto. La capacitancia de entrada diferencial de ese amplificador operacional es de 8pF, lo que le da un polo a 2MHz.

Los parásitos del plano de tierra tampoco están ayudando.

Pruebe con resistencias de 1K.

D'oh! Correcto, ya había considerado reducir esos valores, pero no me detuve a pensar --- o hacer los cálculos --- ¡cuál sería el efecto en este diseño en particular!
Ligeramente mejor usar menos de 1k

La inestabilidad proviene de la retroalimentación positiva perdida (p3) que es más que la retroalimentación negativa perdida (p2).

Todo lo que se necesita es una diferencia de 0.1pF en la ganancia unitaria y puede obtener oscilación y ya casi está allí.

Las resistencias y las pistas se forman para formar condensadores débiles. Rf=500~750 es casi óptimo para esta pieza.

El diseño es crucial en estos diseños. El plano de tierra debe eliminarse del área cercana a los pines de entrada para reducir la capacitancia parásita. El Zo también aumenta a 50 ohmios a 10 MHz debido a la falta de ganancia de retroalimentación negativa que forma otro LPF con 10k. @2MHz

Echando un vistazo más de cerca a la hoja de datos, la Fig. 24 muestra el pico de respuesta óptima con un sobreimpulso de aproximadamente el 5%, como se muestra con 6.8pF de neg agregado. retroalimentación y 680 ohmios para R en lugar de 10k. La carga de 10pF pretende simular una sonda 10:1 y también puede afectar este valor.

Este amplificador operacional no es ideal para un búfer de ganancia unitaria de HF de 50 ohmios. ingrese la descripción de la imagen aquí

El OPA211 Zout de la hoja de datos es equivalente a una impedancia de 1 uH.

Conclusión:

No siempre puede obtener el BW completo de la ganancia unitaria en el producto GBW. Este es un hecho de que Damn Fast Buffers es difícil de perfeccionar y este no es una excepción. Este IC ha sido superado por muchos otros que lo precedieron con 100 veces más ancho de banda, usando retroalimentación actual.

Incluso este tiene un ancho de banda de potencia de 100 MHz alrededor del '75,
mi preferencia

Si quieres mejores resultados, da mejores especificaciones. Este tiene el compromiso de lograr un ruido muy bajo y una corriente de suministro baja. ¿Qué es lo que realmente necesitas?

Un par de aclaraciones: (1) Al decir que "la retroalimentación positiva perdida (p3) es más que la retroalimentación negativa perdida (p2)", ¿ quiere decir que la capacitancia parásita/parásita del pin 6 al pin 3 es mayor? (Eso parece algo inevitable, ya que el pin 3 está físicamente más cerca del pin 6 que del pin 2). (2) ¿Por qué es importante Zo en lazo abierto? Una vez que usa la retroalimentación, la salida se comporta como casi-Zo=0, pero no importa, ya que es la fuente de la onda; en cuanto a las ondas reflejadas que regresan a la salida, la ruta de 50 ohmios ayuda a disipar la energía. ¿Mi entendimiento es defectuoso?
Zout=Zo/Av y cuando Av lazo abierto =1 Zout=Zo y el pF perdido importan cuando la retroalimentación R es demasiado alta. es por eso que eligieron algo < 1k. Si aprende a calcular proporciones e intersecar puntos de ruptura, medir Q, etc., etc. en mi curva logarítmica, es una forma de verlo.
Si desea una ganancia lineal de 50 MHz, solo dígalo e incluya todas las demás especificaciones
No es tanto un caso de "Quiero 50 MHz", es más como "Necesito ver los bordes en las señales diferenciales de onda cuadrada, y quiero que sean lo más nítidas/rápidas y limpias posible".... Sé que las especificaciones como "tan ___ como sea posible" son peligrosos --- siempre se puede llegar a una solución de $200 millones, que sí, ¡es más ___ que las demás! :-) Estoy buscando alternativas como el OPA847 (porque es compatible con pines) y el THS4509... Ahora, mencionaste "retroalimentación actual" como una alternativa potencialmente mejor. ¿Podría comentar sobre esas frente al par de opciones que estoy considerando?
tiempo de subida 10~90% = 0,35/BW. La cantidad de BW que necesita depende precisamente del tiempo de subida. Ejemplo Tiempo de subida de 1 ns para 350 MHz a 50 ohmios 10 Vpp = 200 mA/ns, 10 V/ns es solo el 5 % de una onda cuadrada de 50 MHz para atenuar ligeramente el 7º armónico... ¿así? Vea mis respuestas relacionadas electronics.stackexchange.com/questions/352304/… esto hará 1.2Vpp con 1200V/us. La corriente es el problema G = +2, < 0,1 dB Pico, Rf = 750 Ω 350 MHz mín. 440 MHz typ 100R carga OK con 50 fuente luego coaxial luego 50R término

No está leyendo los detalles finos en la hoja de datos. La impedancia diferencial es de 20 K/8 pF. La figura 24 muestra un inversor con una ganancia de -1 usando resistencias de 604 ohmios y un capacitor de retroalimentación de 5.6 pF.

Se da a entender que un condensador de retroalimentación es obligatorio para la estabilidad, para superar cualquier retroalimentación positiva parásita.

Esto se relaciona con la respuesta de Spehro Pefhany, y es mantener las resistencias a 1 K o menos, especialmente en las entradas. Este es un amplificador de RF, así que trátelo como tal. Que tenga excelentes parámetros de audio es solo una señal de cuánto ha avanzado la tecnología, pero no lo conecte como un amplificador operacional de audio con entradas de resistencia de 10 K, etc.

Un dibujo muestra una ganancia de 10 con entradas de 1 K y retroalimentación de 10 K. Como un amplificador operacional diferencial, parecería que las entradas de 500 ohmios con 10 K a tierra y una retroalimentación de 10 K con un capacitor de retroalimentación de 4 a 6 pF lo maximizarían para una ganancia de 20 (26 dB) en un amplio ancho de banda.

Los gráficos muestran que es posible una ganancia de 100 pero con un ancho de banda muy reducido. Puede tener un gran amplificador de audio o un gran amplificador de RF, pero no ambos al mismo tiempo.

¿Dónde dice 5pF? La sección 7.6 dice 20k/8pF. Con respecto a la Fig. 24 --- Me imagino que el capacitor de retroalimentación está bastante relacionado con la carga capacitiva, ¿no? El consejo típico que he visto es colocar la resistencia en serie lo más cerca posible de la salida para minimizar la capacitancia de carga parásita . Supongo que tal vez tenga algunos pF (supongo que considerablemente < 10pF, ¿no?) Parásitos de la salida a GND (al hacer el diseño no presté atención a la conexión a tierra y al plano GND), así que supongo que colocaré un límite de retroalimentación de todos modos (al menos me permite sintonizar con diferentes valores de capacitancia)
@Cal-linux. ¿Voltaje o ganancia de potencia? 60 dB es una ganancia de 1000.
@Cal-linux. He corregido ese 'error' en las matemáticas.

¿Alguna idea de por qué un ancho de banda tan bajo y por qué el pico a 8 MHz?

Probablemente se deba a la impedancia de salida del amplificador:

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Parece que la salida no coincide con 50 Ω en ese rango de frecuencia (lo que probablemente no sería un gran problema a 10 MHz porque los efectos de la línea de transmisión aún no se están activando)

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También parece que tienen dos polos en la compensación interna del amplificador para mantener limpia la banda de paso (indicado por las diferencias de fase y el ligero cambio de atenuación (en rojo))

Intentaría limitar la banda del amplificador y colocar un poste justo antes de los 8MHz si eso es aceptable.

Respuesta de frecuencia extraña OPA211 --- ¿por qué?
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