Add open-loop gain juice

This commit is contained in:
Xaseiresh 2024-08-16 11:36:48 +02:00
parent ed05d08902
commit 08addb4c78
9 changed files with 3592 additions and 50 deletions

File diff suppressed because it is too large Load diff

File diff suppressed because it is too large Load diff

View file

@ -590,6 +590,17 @@ plots:
title: Verstärkung bei konstantem $C_{f} = 100fF$ und varriertem $R_{f}$
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
- load: Parasitics/SingleStage_Aol_Sweep.txt
loadtype: ltspice
step_unit: " "
ofile: Parasitics/SingleStage_Aol_Sweep.png
type: lt_sweep
y_key: V(n002) dB
title: Verstärkung bei $C_{f} = 3fF$, $C_\mathrm{in} = 10~\mathrm{pF}$ und variieter Verstärkung
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
- load: Parasitics/SingleStage_Rf_Sweep_Noise.txt
loadtype: ltspice
step_unit: $\Omega$
@ -658,6 +669,18 @@ plots:
title: Verstärkung bei variiertem GBWP
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
- load: DesignEstimate/CompositeStage_ADA4817_StageAmpSweep_bandwidth.txt
loadtype: ltspice
step_unit: " "
ofile: DesignEstimate/OpAmp_Stages_Sweep.png
type: lt_sweep
y_key: V(n002) dB
title: Verstärkung bei variiertem GBWP
ylabel: Verstärkung (dB$\Omega$)
- load: DesignEstimate/OpAmp_GBWP_Sweep.txt
loadtype: ltspice
step_unit: Hz

View file

@ -517,24 +517,25 @@ Als zentrales aktives Bauteil besitzt der OpAmp einen maßgeblichen Einfluss auf
und eine korrekte Auswahl ist notwendig um die festgelegten Zielparameter erreichen zu können.
Dieser Auswahlprozess wird hier dargelegt.
\subsubsection{Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt}
\subsubsection{Limitierungen der Verstärkung}
\label{chap:opamp_parasitics_gbwp}
Wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_opamp} beschrieben, ist einer der zentralen Parameter eines
OpAmp sein Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt (im folgenden GBWP).
Dieses legt fest, welche Bandbreite bei gegebener Verstärkung erreichbar ist.
Für einen Transimpedanzverstärker kann dies nicht direkt berechnet werden, da die TIV-Verstärkung
in $\Omega$ angegeben wird, das GBWP jedoch eine einheitslose Verstärkung benötigt.
Aus diesem Grund wird das benötigte GBWP mithilfe einer Simulation in der Software ``LTSpice'' berechnet, welche
Wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_opamp} beschrieben, sind zwei der zentralen Parameter eines
OpAmp seine offene Verstärkung sowie sein GBWP.
Diese Parameter legen fest, welche Bandbreite bei gegebener Verstärkung erreichbar ist.
Die mathematische Berechnung dieser Grenzwerte ist durch den hohen Einfluss parasitärer Effekte
wie z.B. der Eingangskapazität der Schaltung nur schwer zu erreichen.
Aus diesem Grund werden die benötigten Parameter
mithilfe einer Simulation in der Software ``LTSpice'' berechnet, welche
den Aufbau und die Simulation von elektrischen Schaltungen ermöglicht.
Abbidlung \ref{fig:opamp_gbwp_circuit} zeigt den in LTSpice erstellten Schaltkreis.
Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_circuit} zeigt den in LTSpice erstellten Schaltkreis.
Hierbei werden optimistische Werte für parasitäre Eigenschaften verwendet.
Diese dürfen nicht vernachlässigt werden, da sie ebenfalls auf die Transferfunktion des OpAmp
Einfluss nehmen können, die optimistische Wahl gibt jedoch genug Freiraum für varianzen im
späteren aufgebauten Schaltkreis.
Ein Rückkoppelwiderstand von $\SI{1}{\giga\ohm}$ wird gewählt, um für nachfolgende Filterschaltungen
etwas Freiraum zu lassen.
Ein Rückkoppelwiderstand von $\SI{1}{\giga\ohm}$ wird als realistischer Zielwert der Gesamtverstärkung
der Schaltung gewählt.
\begin{figure}[h]
\centering
@ -557,7 +558,8 @@ Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_results} zeigt die Ergebnisse dieser Simulation au
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/DesignEstimate/OpAmp_GBWP_Sweep.png}
\caption{\label{fig:opamp_gbwp_results}Ergebnisse der Simulation des OpAmp GBWP}
\caption{\label{fig:opamp_gbwp_results}Darstellung der Auswirkung eines variierten OpAmp GBWP
auf die Bandbreite und stabilität der simulierten TIV-Schaltung.}
\end{figure}
\begin{table}[h]
@ -579,7 +581,7 @@ Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_results} zeigt die Ergebnisse dieser Simulation au
\hline
\end{tabular}
\end{table}
\FloatBarrier
Deutlich zu erkennen ist die Limitierung der Bandbreite durch den OpAmp. Bei einem GBWP
von $\SI{1}{\mega\hertz}$ ist die Bandbreite des Gesamtsystems auf circa
$\SI{6}{\kilo\hertz}$ begrenzt, bei $\SI{100}{\mega\hertz}$ auf etwa
@ -595,39 +597,78 @@ $\SI{316.22}{\mega\hertz}$ zu sehen ist, ist durch die Resonanz zu erklären.
Diese zieht die Transferfunktion nach oben und verschärft den Abfall, wodurch die -3dB-Frequenz
nach oben gezogen wird.
Um sicher zu stellen dass die Stabilität der Schaltung auch bei variierenden parasitären Effekten gegeben ist,
werden Simulationen mit variablem C1 und Cin (siehe Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_circuit}) durchgeführt.
Die Ergebnisse hiervon sind in Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_variation_results} dargestellt.
Zu erkennen ist, dass die Rückkoppelkapazitäten keinen Einfluss auf die Stabilität haben, und lediglich die Bandbreite
begrenzen, wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} beschrieben wurde.
Die Eingangskapazität Cin jedoch schein äquivalent zu einer variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
die Bandbreite verringert, und somit die Stabilität negativ beeinflussen kann.
Bei der Schaltungsauslegung muss somit genügend Marge bei der GBWP-Auswahl gelassen werden, um bei höher als
erwartetem Cin stabil zu bleiben.
Zur Erfassung der benötigten offenen Verstärkung des OpAmp wird die LTSpice Simulation aus
Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_circuit} erneut genutzt. Nun wird jedoch nicht das GBWP des OpAmp
variiert, sondern die offene Verstärkung.
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Aol_Sweep.png}
\caption{\label{fig:opamp_aol_sweep_2}Darstellung des Einflusses der offenen Verstärkung
eines OpAmp auf die Übertragungsfunktion eines TIVs. Deutlich zu erkennen ist der
Einbruch der Bandbreite bei zu geringer Verstärkung. Es ist jedoch keine Instabilität
zu erkennen.}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:opamp_aol_sweep_2} zeigt die Ergebnisse der Simulation auf. Wie beim GBWP
ist hier ein starker Einfluss auf die Bandbreite zu erkennen, wenn die offene Verstärkung
zu gering gewählt ist. So bricht die Bandbreite bereits ab einer Verstärkung von unter 10 000
ein.
Es ist jedoch keine Überhöhung oder Instabilität zu erkennen.
Ungleich des GBWP ist so eine Begrenzung der Bandbreite durch eine zu kleine offene
Verstärkung nicht detrimental für die Stabilität der Schaltung. Lediglich die Bandbreite
selbst muss beachtet werden.
\FloatBarrier
\begin{figure}[h]
\centering
\missingfigure{Insert graphs of varying parasitics here!}
\caption{\label{fig:opamp_gbwp_variation_results}Ergebnisse der Simulation der OpAmp-Schaltung mit
varrierten parasitären Bauteilen.}
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cin_Sweep.png}
\caption{\label{fig:opamp_gbwp_variation_result_1}Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$.}
\end{figure}
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.png}
\caption{\label{fig:opamp_gbwp_variation_result_2}Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität $C_\mathrm{1}$.}
\end{figure}
Um sicher zu stellen dass die Stabilität der Schaltung auch bei variierenden parasitären Effekten gegeben ist,
werden Simulationen mit variablem C1 und Cin (siehe Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_circuit}) durchgeführt.
Die Ergebnisse hiervon sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_1} und
\ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_2} dargestellt.
Zu erkennen ist, dass die Rückkoppelkapazitäten $C_1$ keinen Einfluss auf die Stabilität haben, und lediglich die Bandbreite
begrenzen, wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} beschrieben wurde.
Die Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$ jedoch schein äquivalent zu einer variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
die Bandbreite verringert und die Stabilität negativ beeinflusst.
Bei der Schaltungsauslegung muss somit genügend Marge bei der GBWP-Auswahl gelassen werden, um bei höher als
erwartetem $C_\mathrm{in}$ stabil zu bleiben.
\FloatBarrier
Zusammengefasst ist die OpAmp-Bandbreite ein wichtiger Faktor der Schaltung.
Ein zu klein gewähltes GBWP begrenzt sowohl die Bandbreite des Schaltkreises, und kann zudem zu
Instabilitäten führen. Aus den Simulationen wird geschlossen dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\hertz}$
Instabilitäten führen. Eine zu klein gewählte offene Verstärkung kann ebenfalls zur Begrenzung
der Bandbreite führen, jedoch ohne hierbei die Stabilität zu gefährden.
Aus den Simulationen wird geschlossen dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\hertz}$
notwendig ist, um stabil zu bleiben und die Bandbreite zu erhalten, wobei ein größeres GBWP vorteilhaft erscheint.
Eine minimale offene Verstärkung von circa 10 000 ist notwendig, um die Bandbreite nicht zu beeinflussen.
\subsubsection{Mitigation des OpAmp GBWP}
\FloatBarrier
\subsubsection{Verbesserung der OpAmp Bandbreite}
Wie im vorherigen Kapitel beschrieben ist eine höhere Bandbreite des OpAmp notwendig,
um die Schaltung stabil betreiben zu können. Die berechnete Bandbreite von $\SI{1}{\giga\hertz}$
ist jedoch nicht mit allen OpAmps erreichbar.
Um eine größere Auswahl von OpAmps zu ermöglichen wird nun untersucht, ob eine Erhöhung des
effektiven GBWP möglich ist.
um die Schaltung stabil betreiben zu können. Die berechneten Parameter sind jedoch
nicht mit allen OpAmps erreichbar.
Um eine größere Auswahl von OpAmps zu ermöglichen wird nun untersucht, ob eine Erhöhung der
effektiven Bandbreite möglich ist.
Da die Bandbreite eines einzelnen OpAmp durch seinen internen Aufbau limitiert ist, kann
an diesem nichts verändert werden. Es ist jedoch möglich, durch die Verschaltung zweier
oder mehr OpAmps einen gesamten Schaltkreis mit effektiv höherem GBWP zu erhalten.
oder mehr OpAmps einen gesamten Schaltkreis mit effektiv höherer Bandbreite zu erhalten.
Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
\begin{itemize}
@ -646,7 +687,7 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
\item[b)] \textbf{Eine Komposit-Schaltung von OpAmps:}
Anstelle einzelne Stufen hintereinander zu schalten ist es ebenso möglich,
mehrere OpAmps zu einem gesamt-Verstärker mit insgesamt höherem GBWP zu schalten.\todo{
mehrere OpAmps zu einem gesamt-Verstärker mit insgesamt höherer Bandbreite zu verschalten.\todo{
Find a citation for this?
}
@ -665,6 +706,13 @@ untersuchen zu können.
\label{chap:opamp_cascade_explained}
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/CascadeOpAmp.drawio.png}
\caption{\label{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
des OpAmp GBWP.}
\end{figure}
Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
\begin{enumerate}
\item Der OpAmp U1 verstärkt die am Eingang anliegende Spannungsdifferenz, welche vom
@ -679,28 +727,50 @@ Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
übernimmt U1 zwangsweise die verbliebene Verstärkung, d.h. $R_f / A_\mathrm{U2}$.
\end{enumerate}
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/CascadeOpAmp.drawio.png}
\caption{\label{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
des OpAmp GBWP.}
\end{figure}
Durch korrekte Auswahl von U1, U2 und der Verteilung der Verstärkung zwischen den OpAmps können
so die Vorteile verschiedener OpAmps kombiniert werden. Es kann z.B. ein sensitiver und präziser
aber langsamer OpAmp in der ersten Stufe mit kleinerer Verstärkung betrieben werden, und ein
wesentlich schnellerer OpAmp in der zweiten Stufe die Gesamtverstärkung des Systems liefern.
Als exemplarisches Beispiel wird der ADA4530 als erste Stufe gewählt. Dieser OpAmp hat
\FloatBarrier
Als exemplarisches Beispiel wird der ADA4817 als erste Stufe gewählt. Dieser OpAmp hat
ein exzellent niedriges Rauschen und geringe Eingangs-Leckströme, und ist optimiert
für Messungen an hochimpedanten Eingängen. Er besitzt jedoch ein GBWP von lediglich
$\SI{2}{\mega\hertz}$, welches für die festgelegten Anforderungen unzureichend ist.
für Messungen an hochimpedanten Eingängen. Er besitzt jedoch eine zu geringe Verstärkung,
um direkt in einer Stufe eine Verstärkung von $\SI{1}{\giga\ohm}$ zu erreichen.
Mithilfe
einer LTSpice-Simulation wird nun untersucht, ob eine solche kaskadierte Verschaltung
zu einem nutzbaren Gesamt-GBWP führen kann.
zu einer nutzbaren Gesamtverstärkung führen kann. Der Aufbau der LTSpice-Simulation
ist in Abbildung \ref{fig:opamp_cascade_ltspice} dargestellt.
\todo[inline]{Place cascaded ADA results here}
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{entwicklung/opamp/opamp_ltspice_cascade.jpg}
\caption{\label{fig:opamp_cascade_ltspice}Aufbau der LTSpice-Simulation
zur Untersuchung einer kaskadierten OpAmp-Verschaltung.}
\end{figure}
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/DesignEstimate/OpAmp_Stages_Sweep.png}
\caption{\label{fig:opamp_analysis_stage_sweep}
Ergebnis der LTSpice-Simulation einer kaskadierten OpAmp Verschaltung, mit
variierter Verteilung der Verstärkung zwischen erster und zweiter Stufe.
Legendenangabe gibt die Verstärkung der zweiten Stufe an. Geasmtverstärkung
$\SI{1}{\giga\ohm}$.}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:opamp_analysis_stage_sweep} zeigt die Ergebnisse der LTSpice-Simulation auf.
Hierbei wird die verteilung der Verstärkung zwischen den beiden Stufen variiert, um den
Einfluss dieser Verteilung charakterisieren zu können. Deutlich zu erkennen sind zwei Effekte.
Bei zu geringer Verstärkung in der zweiten Stufe (und somit zu hoher Verstärkung in der ersten)
ist die Bandbreite durch den ersten OpAmp limitiert. Bei zu hoher Verstärkung in der zweiten Stufe
scheint eine Instabilität auf zu treten. Es scheint jedoch einen nutzbaren Bereich zu geben,
in welchem eine nutzbare Bandbreite ohne Instabilitäten erreicht wird.
\FloatBarrier
\subsubsection{OpAmp-Rauschen}
\label{chap:opamp_noise}
@ -730,7 +800,7 @@ genügend GBWP und kleinen Eingangsleckströmen, um als TIV nutzbar zu sein.
\begin{figure}[h]
\centering
\missingfigure{Include OpAmp VIn-noise schematic here!}
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/opamp/opamp_ltspice_noise.jpg}
\caption{\label{fig:opamp_vin_noise_schematic}Schaltkreis der LTSpice-Simulation zur
Bestimmung OpAmp-Rauschens.}
\end{figure}
@ -746,8 +816,6 @@ und \ref{fig:opamp_vin_noise_cin} dargestellt.
\caption{\label{fig:opamp_vin_noise_rf}Rauschen in Abhängigkeit von $R_\mathrm{f}$}
\end{figure}
\todo[inline]{Redo the CIn simulation with more realistic feedback resistor.}
\begin{figure}
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_LTC_Cin_Sweep_Noise.png}
\caption{\label{fig:opamp_vin_noise_cin}Rauschen in Abhängigkeit von $C_\mathrm{in}$}

View file

@ -142,20 +142,38 @@ Ein realer OpAmp kann für viele Anwendungen als nahezu ideal angesehen werden.
\item Parasitäre Kapazitäten. Ein OpAmp hat, bedingt durch die physikalische Auslegung des Bauteils, verschiedene ungewollte Kapazitäten sowohl gegen Masse, als auch zwischen den Kanälen selbst. Diese können die Transferfunktion beeinflussen\cite{tiOpAmpCap2000}.
\item Endliche Geschwindigkeit. Ein realer OpAmp kann auf Signaländerungen nur in endlicher Zeit reagieren. Hierdurch ergibt sich eine Grenze der Bandbreite in Relation zur Verstärkung. Dies wird als Verstärkungs-Bandpreitenprodukt\todo{Spelling OK?} charakterisiert\cite{Cox2002}. Im folgenden wird dies als GBWP aus dem Englischen ``Gain-Bandwidth-Product'' bezeichnet. Dies kann ebenfalls die Transferfunktion beeinflussen, siehe Abbildung \ref{fig:example_opamp_gbwp}.
Das GBWP gibt an, bei welcher Frequenz der OpAmp eine Verstärkung von 1 aufweist. Die effektive Bandbreite eines OpAmp kann somit durch Dividieren des GBWP mit der Verstärkung berechnet werden.
\item Endliche Verstärkung. Ein realer OpAmp kann ein Signal nur um einen
gewissen, endlichen Faktor verstärken. Dieser Faktor wird als ``offene''
Verstärkung bezeichnet, da er ohne Rückkopplung gemessen wird.
Diese Begrenzung führt zu einer Limitierung der absoluten
Verstärkung einer OpAmp-Stufe. Zusammen mit einer Eingangskapazität bildet
sich hieraus ebenfalls eine Grenze der Bandbreite, da die Eingangskapazität
den Anstieg der Eingangsspannung, und durch die endliche Verstärkung auch den
Anstieg der Ausgangsspannung, begrenzt. Dies ist in Abbildung \ref{fig:opamp_aol_sweep} dargestellt.
\item Rauschen. Ein realer OpAmp hat verschiedene Rauschquellen, welche in das Messsignal übergehen können. Dies sind Eingangsbezogenes Strom- und Spannungsrauschen \cite{tiNoise2007}, und sind in Abbildung \ref{fig:example_opamp_noise} dargestellt. Auf die genauen Quellen dieses Rauschens soll hier nicht weiter eingegangen werden, da diese durch die internen Schaltungen des OpAmp entstehen.\\
Das Spannungsrauschen ist hierbei im unteren Frequenzbereich proportional zu $1/\omega$ und flacht ab einer Eckfrequenz zu einem konstanten Wert ab, während das Stromrauschen konstant anfängt und im höheren Frequenzbereich proportional zu $\omega$ zu nimmt.\todo{Add OpAmp noise graph}
Das Spannungsrauschen ist hierbei im unteren Frequenzbereich proportional zu $1/\omega$ und flacht ab einer Eckfrequenz zu einem konstanten Wert ab, während das Stromrauschen konstant anfängt und im höheren Frequenzbereich proportional zu $\omega$ zu nimmt.
\end{itemize}
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Aol_Sweep.png}
\caption{\label{fig:opamp_aol_sweep}Darstellung des Einflusses der offenen Verstärkung
eines OpAmp auf die Übertragungsfunktion eines TIVs. Bei zu geringer Verstärkung
bricht die Verstärkung frühzeitig ein, und es bildet sich ein Tiefpassverhalten
aus. Es sind jedoch keine Instabilitäten zu erkennen.}
\end{figure}
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_GBWP_Sweep.png}
\caption{\label{fig:example_opamp_gbwp}Darstellung des Einflusses des GBWP auf die Übertragungsfunktion einer OpAmp Schaltung. Bei zu geringem GBWP ist die Bandbreite limitiert. Zudem ensteht eine Instabilität, welche den Schaltkreis zum oszillieren bringen kann}
\caption{\label{fig:example_opamp_gbwp}Darstellung des Einflusses des GBWP auf die Übertragungsfunktion einer OpAmp Schaltung. Bei zu geringem GBWP ist die Bandbreite limitiert. Zudem ensteht eine Instabilität, welche den Schaltkreis zum oszillieren bringen kann.}
\end{figure}
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.25]{grundlagen/OpAmp_Noise.drawio.png}
\caption{\label{fig:example_opamp_noise}Schematische Darstellung der Rauschquellen eines OpAmp nach \cite{tiNoise2007}}
\caption{\label{fig:example_opamp_noise}Schematische, vereinfachte Darstellung der zusammengefassten Rauschquellen eines OpAmp nach \cite{tiNoise2007}.
Hierbei sind die Rauschquellen eingangsbezogen dargestellt.}
\end{figure}
\section{Aufbau eines Transimpedanzverstärkers}

BIN
TeX/build/Arbeit.pdf Normal file

Binary file not shown.

View file

@ -5,4 +5,5 @@
\hyphenation{Ei-gen-er-wär-mung}
\hyphenation{STMCubeIDE}
\hyphenation{Span-nungs-rau-schen}
\hyphenation{Komponenten-reihen}
\hyphenation{Komponenten-reihen}
\hyphenation{GBWP}

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 41 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 45 KiB