¿Suena este amplificador de transimpedancia de gran ancho de banda (Multisim)?

Diseñé un front-end para el fotodiodo de alta velocidad S5972. Consulte el siguiente esquema.

esquema multisim

En Multisim, un análisis de barrido de CA da el siguiente diagrama de Bode:

Diagrama de Bode Multisim

1. ¿Es estable el front-end presentado? Si no, ¿qué parte del diagrama de Bode me dice acerca de la estabilidad? ¿Qué valor necesito ajustar para estabilizar el diseño?

Según tengo entendido, necesitamos una interferencia constructiva en la entrada inversora del amplificador operacional, así como una ganancia mayor que la unidad. En el diagrama de fase del diagrama de Bode, la curva azul describe la diferencia entre el voltaje en la entrada inversora del amplificador operacional y la salida del amplificador operacional. Cuando la curva azul llega a -180 grados a unos 230 MHz, se cumple la condición de interferencia constructiva; sin embargo, la magnitud de la respuesta de frecuencia está por debajo de la unidad, por lo tanto, no hay retroalimentación positiva que haga que el circuito suene.

2. ¿Cuánto de mi entendimiento es correcto?

Lo que creo que me falta es que, por lo general, la estabilidad se define en términos de ganancia de ruido. El razonamiento detrás del uso del ruido en lugar de la ganancia de la señal (¿estoy usando los términos correctamente en este contexto?) es que ambas ganancias pueden ser diferentes. Por ejemplo, el amplificador inversor estándar tiene una ganancia de señal de -Rf/Ri mientras que tiene una ganancia de ruido de 1+Rf/Ri, así, aunque si cae Rf/Ri todavía tenemos una amplificación unitaria del ruido y el ruido puede quedar atrapado en un ciclo de retroalimentación positiva.

3. ¿Es esto correcto? ¿Cómo simularía la ganancia de ruido con Multisim?

Actualización 1:

Según lo solicitado, un análisis transitorio de una fuente de corriente pulsada. La fuente de corriente pulsada está configurada para comenzar en 0 A. Después de un retraso de 100 ns, la fuente de corriente salta en un tiempo de subida de 1 ns a un valor de 440 uA. El ancho de pulso es de 50 ns. El tiempo de caída es de 1 ns. El período entre pulsos es de 300 ns.

análisis transitorio

¿Qué es la ganancia unitaria BW? ¿Cuál es el margen de fase antes del cambio de 180 grados y la retroalimentación positiva (inestable) en BW de ganancia unitaria? ¿Por qué Ccm está en cortocircuito con -0 Ohm en lugar de R emparejado?
¿Qué es la impedancia del cable? a PD?
Al perforar su circuito y asumir una capacitancia de entrada parásita de ~ 3 pF en el 847 (a partir de la experiencia pasada) en las calculadoras de TI, no debería oscilar. Sin embargo, en la práctica, obtener una capacitancia de retroalimentación de 0,25 pF será muy difícil, por lo que probablemente tendrá que renunciar a algo de ancho de banda o algo de ganancia.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 GBW del OPA847 es de 3,9 GHz. Por favor, explique sus otras preguntas. No quiero considerar la impedancia del cable en esta etapa.
@ user1850479 Estoy de acuerdo en que 0.25 pF como capacitancia es difícil desde un punto de vista práctico. ¿Qué calculadora TI usaste?
Realice un análisis transitorio con una entrada escalonada.
¿Qué quieres decir con 'anillo'?
@BruceAbbott que mide oscilaciones en Vout que no son parte de la señal
Todavía no está claro. ¿Quiere decir que no hay oscilación más allá del sobreimpulso críticamente amortiguado? en.wikipedia.org/wiki/Transient_response
@BruceAbbott echa un vistazo a en.wikipedia.org/wiki/Frequency_compensation
Bodo Donde Vout = Vin-, ¿Qué es el cambio de fase -180 grados? No ignore mis preguntas anteriores y lea en.wikipedia.org/wiki/Lead%E2%80%93lag_compensator
Está claro que desea un BW alto y un ruido bajo, por lo tanto, por encima de 2 MHz NO puede usar un amplificador operacional BJT y DEBE usar un amplificador operacional de bajo ruido basado en FET como OPA6xx. El cable es ~ 0,5 nH/mm Incluya esto con el modelo y C también. Su simulación es inestable, su TIA es demasiado ruidoso e irrealizable Use OPA6xxx e investigue más
@ TonyStewartSunnyskyguyEE75 El OPA847 es un amplificador operacional ampliamente utilizado en TIA comerciales con aproximadamente estas especificaciones (50-200 MHz, poca capacitancia de entrada pF), por lo que no estoy de acuerdo con que no sea adecuado. Un montón de buenos diseños por ahí con él, que es probablemente la razón por la que bodokaiser lo seleccionó. ¿Estabas pensando en el OPA657 como alternativa?
OPA847 no es adecuado a menos que la corriente de CA de la fuente de PD de entrada sea 100x de corriente de ruido de entrada para SNR = 100 y BW = xxx MHz. Sí, OPA657 es CMOS y GBW alto.
" Cuando la curva azul alcanza los 180 grados a unos 110 MHz "..." la magnitud de la respuesta de frecuencia está por debajo de la unidad" no, inténtelo de nuevo. f ~ 210 MHz y Av > 23dB
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 ¿Tiene alguna literatura que me ayude a entender sus definiciones? No estoy capacitado en ingeniería eléctrica y tengo dificultades para entender sus preguntas.

Respuestas (2)

En primer lugar, V_rev no hace nada, está conectado en serie con una fuente de corriente ideal (que tiene una impedancia de salida infinita) y un condensador (que no acopla CC), por lo que bien podría ser 0V (o conectado a tierra).

  1. ¿Es estable el front-end presentado? Si no, ¿qué parte del diagrama de Bode me dice acerca de la estabilidad? ¿Qué valor necesito ajustar para estabilizar el diseño?

Sí, es estable, dentro del rango de frecuencia que ha barrido.

Para un amplificador con función de transferencia:

GRAMO ( s ) = V o V i

Si lo ponemos en un ciclo de retroalimentación, donde la retroalimentación tiene una función de transferencia H(s), entonces la nueva función de transferencia con retroalimentación se convierte en:

GRAMO ( s ) 1 + H ( s ) GRAMO ( s )

para que un amplificador con lazo de realimentación sea estable significa que el numerador de esta ecuación no debe ser igual a cero, esto sucede cuando:

H ( s ) GRAMO ( s ) = − 1

Este es el punto que estamos tratando de evitar. Si alcanzamos este punto -1 en cualquier frecuencia, todo el sistema es inestable.

La estabilidad de su sistema depende de qué tan lejos se mantenga del punto -1, es decir. cuál es la distancia mínima desde el -1 de la función de transferencia en la frecuencia donde está más cerca.

  1. ¿Cuánto de mi entendimiento es correcto?

Lo que describes se entiende razonablemente bien.

  1. ¿Es esto correcto? ¿Cómo simularía la ganancia de ruido con Multisim?

No, que yo sepa, esto no es correcto.

¿Qué es Av-= Vout / Vin @ Vout, fase = 180 grados?
¿Por qué fue votado negativo? No creo que la función de transferencia sea correcta en mi caso, ya que tenemos un amplificador de transimpedancia (corriente a voltaje) en lugar de una configuración de amplificador inversor.
Creo que es una muy mala práctica rechazar las respuestas de otras personas sin dar una explicación de por qué, no veo nada malo en mi respuesta. @TonyStewartSunnyskyguyEE75 ?? ¿Qué estás tratando de decir?
Le pregunté qué le dice su gráfico sobre el margen de ganancia.

3: ganancia de ruido

Esto se define como la relación entre Vout y el voltaje de ruido interno del amplificador: un voltaje aparente en serie con una o ambas entradas a un amplificador diferencial ideal.

La forma más fácil de simular es agregar una fuente de voltaje en serie con una entrada, establecer todos los demás en amplitud cero y barrer eso.

La respuesta transitoria se ve bien, ligeramente puntiaguda pero aún así se asienta rápidamente. Se ve bien, dada la respuesta de frecuencia plana: tenga en cuenta que una respuesta de frecuencia máximamente plana (Butterworth) todavía tiene un sobreimpulso transitorio. Es posible que se produzcan picos adicionales, causados ​​​​por un cambio de fase excesivo (que en última instancia limita qué tan alto puede ajustar el ancho de banda, dado algún requisito de planitud/sobreimpulso), probablemente en el modelo de amplificador operacional. Puede haber un cambio de fase adicional en el circuito real, debido a las impedancias de los componentes, las longitudes de las trazas, la inductancia/capacitancia parásita, etc. Mantenga el diseño compacto.

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