Jak utrzymać zdekompensowany wzmacniacz operacyjny w obszarze liniowym?

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

^{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.

^{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.

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.

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

Coś takiego:

^{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 :).

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.