Jak utrzymać zdekompensowany wzmacniacz operacyjny w obszarze liniowym?

9

tło

W przypadku aplikacji transimpedancyjnych chcesz utrzymać wzmacniacze operacyjne w ich liniowym obszarze, unikać nasycenia wzmacniacza operacyjnego i odzyskać przesterowanie.

Można tego dokonać za pomocą prostego obwodu automatycznego sterowania wzmocnieniem, gdy używa się wzmacniacza operacyjnego stabilnego wzmocnienia jedności np

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

Gdy dioda się włącza, odpowiedź w zamkniętej pętli utrzymuje tę samą szerokość pasma, ale jej wielkość jest zmniejszona. Współczynnik sprzężenia zwrotnego wysokiej częstotliwości Cfeedback / (Cfeedback + Cin) zbliża się do 1, ale nie stanowi to problemu, ponieważ wzmacniacz operacyjny jest stabilny w zakresie wzmocnienia jedności. Zaimplementowałem to z OPA656 i działa dobrze.

To nie będzie działać ze zdekompensowanym wzmacniaczem. Oscyluje, gdy jest za dużo sprzężenia zwrotnego o wysokiej częstotliwości. Widziałem to z OPA846.

Pytanie

Jak utrzymujesz zdekompensowany wzmacniacz w jego liniowym obszarze w zastosowaniu do transimpedancji?

Próbowałem symulować poniższy obwód, mając nadzieję, że włączenie dodatkowej pojemności wejściowej zmniejszy sprzężenie zwrotne wysokiej częstotliwości, ale wyniki są słabe.

schematyczny

zasymuluj ten obwód

Wartości komponentów na schematach nie są tym, co używam w moim rzeczywistym obwodzie. Są to okrągłe wartości dla uproszczenia dyskusji na temat obwodu, np. Współczynnik sprzężenia zwrotnego wysokiej częstotliwości pierwszego obwodu, gdy dioda jest wyłączona, wynosi 1/101. Moje rzeczywiste wartości składników są dostrojone do maksymalnej prędkości, blisko krawędzi stabilności, nie do końca znanej z powodu pasożytów na pokładzie, i odciągałyby mnie od pytania.

DavidG25
źródło
1
Z drugiej strony użycie tranzystora do przełączania elementów sprzężenia zwrotnego, tak jak w drugim obwodzie, prawdopodobnie nie zadziała, ponieważ będzie ścieżka sprzężenia zwrotnego prądu przemiennego o wzmocnieniu 1 od podstawy do emitera.
DavidG25,
dlaczego chcesz użyć nieskompensowanego wzmacniacza operacyjnego?
berto
@berto są szybsze.
DavidG25,

Odpowiedzi:

1

Jeśli twój wzmacniacz zachowuje się dobrze przy niskich poziomach prądu z OPA846, a problem występuje tylko przy wysokich poziomach, to uważam, że masz trzy możliwości:

1) Zmniejsz R1, abyś miał mniejszy zysk transimpedancji: Będzie większy zasięg dla prądu, ale stracisz rozdzielczość (wzmocnienie).

2) Dostrajanie obwodu ograniczającego wzmocnienie (R2, C2, D1 z pierwszego schematu w pytaniu): Jeśli ten obwód działa dobrze z OPA656, być może możesz również sprawić, aby działał z OPA846. Spróbuj zmienić R2, aby gałąź kontroli wzmocnienia nie spowodowała niestabilności obwodu.

3) Dodaj więcej kompensacji do obwodu, zmieniając C1 lub zwiększając C3. Mam wrażenie, że jeśli obwód działa dobrze z OPA656, ale ma problemy z OPA846, może to być problem z kompensacją.

O ile mi wiadomo, trudno jest myśleć o obwodzie ograniczającym prąd dla fotodiody, ponieważ amplitudy napięcia są zwykle bardzo niskie.

berto
źródło
Mogą to być rozwiązania, ale poświęcają SNR i / lub BW. Gdybym mógł zaakceptować gorszą wydajność, użyłbym po prostu stabilnego wzmacniacza operacyjnego.
DavidG25,
1

Drugi prawdopodobnie działałby, gdyby Q1 był MOSFETEM. Oba wprowadzają znaczną nieliniowość blisko progu. Oto alternatywa.

Coś takiego:

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

Gdzie należy wybrać R3 / R4 (histereza) i R6 (obciążenie), aby uniknąć oscylacji między trybem wysokiego i niskiego wzmocnienia, gdy jest on bliski progu.

Prawdopodobnie będziesz musiał dostosować sposób, w jaki napędzane są fety (prąd bramki zostaje wzmocniony D :).

τεκ
źródło
Dlaczego użyłeś wyzwalacza Schmitta zamiast przełączać tranzystory z wyjściem wzmacniacza operacyjnego? Czy ma to na celu zmniejszenie sprzężenia zwrotnego przez tranzystor?
DavidG25,
Ponieważ zastosowanie wyjścia opampa do tranzystorów niekoniecznie włącza je lub wyłącza całkowicie, ale zmienia się od całkowicie wyłączonego poniżej Vth do pełnego włączenia gdzieś powyżej, wprowadzając nieliniowość. To może, ale nie musi stanowić problemu dla twojej aplikacji.
τεκ
1

Generalne obserwacje

Wszystkie OPAMP mają minimalne wzmocnienie w zamkniętej pętli.

OPAMP są kompensowane, aby zapewnić minimalny margines fazy przy ich określonym minimalnym wzmocnieniu (zwykle 0,1).

Jeśli chcesz zarówno wysokiej prędkości ORAZ stabilności z nieskompensowanym OPAMPEM i mieć niskie wzmocnienie, musisz to zrekompensować.

W odniesieniu do liniowości: sprzężenie zwrotne zapewnia liniowość, a nie liniowość samej otwartej pętli opampa.

Szczegółowe spostrzeżenia

Problem występuje z powodu AGC - przy wysokim wzmocnieniu wszystko jest w porządku, ale przy niskim wzmocnieniu tak nie jest. Musisz więc upewnić się, że nadal masz wysoki zysk z punktu widzenia AOP, lub w takich przypadkach musisz zrekompensować opamp.

  1. Możesz spróbować zmniejszyć poziom wejściowy zamiast zmniejszać wzmocnienie.
  2. Możesz spróbować dodać kompensację podczas zmniejszania wzmocnienia.

Na twoim schemacie z Q1 zauważam, że Q1 normalnie nie przewodziłoby, ponieważ napięcie wyjściowe jest zwykle wyższe niż napięcie wejściowe. Ale kiedy z powodu oscylacji napięcie wyjściowe staje się niższe niż wejście, sprzężenie zwrotne faktycznie wzrasta, ponieważ kompensujesz prąd wejściowy - to sprzężenie zwrotne! Obniżasz więc zysk i sprowadzasz OPAMP w niestabilnym regionie.

Propozycje

Aby obniżyć wejście, możesz dodać normalną diodę w trybie do przodu. Niewiele przewodzi, gdy odbiornik ma niską moc wyjściową, a więcej, gdy moc odbiornika jest wysoka - dlatego działa jak AGC. Będzie potrzebował trochę symulacji i wyboru diody, aby znaleźć optymalne. To nie jest sprzężenie zwrotne z OPAMP, więc nie wpływa na wzmocnienie pętli zamkniętej.

Innym problemem związanym z twoją metodą wykorzystującą Q1 jest to, że analiza małego sygnału dotyczy wszystkiego. Myślę, że powinieneś mieć obwód prostujący, aby uzyskać średnią informację zwrotną. Jeśli sprzężenie zwrotne AGC jest prądem o niskiej częstotliwości, nie zwiększa ono sprzężenia o wysokiej częstotliwości bardziej niż niższe częstotliwości.

Aby utrzymać niskie sprzężenie zwrotne wysokiej częstotliwości, należy zablokować ścieżkę wyższego sprzężenia zwrotnego dla wysokich częstotliwości. Możesz dodać indukcyjność w szeregu ścieżki sprzężenia zwrotnego lub prawdopodobnie dodać kondensator obejściowy do ziemi na swojej ścieżce sprzężenia zwrotnego.

Dodanie kompensacji dla wysokich częstotliwości tylko przy niskim wzmocnieniu wydaje się trudniejsze. Kondensator o zmiennym napięciu może pomóc dostosować filtr RC do poziomu sygnału, ale jego dostrojenie wydaje się trudniejsze.

Mam nadzieję, że te myśli ci pomogą.

le_top
źródło
Przyjrzę się pomysłowi filtra blokującego sprzężenie zwrotne wysokiej częstotliwości przez tranzystor. Dzięki!
DavidG25,