Begrenzung der Ausgangsspannung des Opamps, um eine Sättigung zu vermeiden

Problem:

Meine Fotodiode empfängt Impulse mit einer Breite von 10 ns bis 150 ns und einer Wiederholungsrate von 1 Hz bis 50 kHz

Der Strom von der Fotodiode kann je nach einfallendem Licht zwischen 10 nA und 100 mA liegen.

Kurz gesagt, meine Anwendung versucht, die analogen Impulse für die Impulsbreitenmessung zu digitalisieren

Ich habe also 'nur' zwei Fotodioden, um den Dynamikbereich abzudecken, nachdem ich den Dynamikbereich in mehrere Kanäle wie 1uA-5mA aufgeteilt habe (weniger als 1uA ist es für mich aus verschiedenen Gründen schwierig, 10ns-Impulse zu messen, finden Sie hier , hier ) und 500uA-100mA gibt es einige spezielle Gründe wie die optische Dämpfung vor einem Sensor, die dazu führte, dass die Fotodiodenbereiche in einen überlappenden Bereich unterteilt wurden.

Für meinen ersten Kanal 1uA-1mA, bei dem ich eine IV-Umwandlung mit einem TIA anstelle eines Widerstands durchführen möchte, konnte ich für eine Verstärkung von 1K eine angemessene Verstärkung von 60 dB bei 100 MHz erzielen, sodass ich die Verstärkung nicht ändern werde jetzt,

durch diese 1uA wird 1mV sein und 5mA wird 5V sein, jetzt ist das nicht genug, ich muss eine weitere Verstärkungsstufe von 20V / V setzen, um meine 1mV zu lesen, so dass die zweite Stufe mit einem Eingang von 500uA selbst gesättigt wäre, was a ist Zurück zu meinem Ansatz (um an dem Problem festzuhalten, habe ich keine zweite Stufe gepostet)

Ansatz 1:

Also habe ich diese Technik der Verwendung von Dioden in meiner Schleife verwendet, damit der Ausgang auf den Cutoff der Diode beschränkt ist, aber dies führt zu Schwingungen, mit anderen Worten zu Instabilität des Operationsverstärkers

Ergebnisse:

Bei einem Strom über 450uA beginnt der Operationsverstärker leicht zu schwingen. Bei einem gegebenen Strom von 1 mA auf der rechten Seite kann man völlig instabil sehen. Ich dachte, das Problem liegt daran, dass die Schaltzeit der Diode nur 5 ns beträgt. Deshalb habe ich sie auf schottky geändert, was zu einem vollen Ergebnis führte flatterhafte Instabilität, daher muss es ein Problem mit opamp oder dem Setup geben, bitte Anleitung

Ansatz 2:

Begrenzung des Ausgangsstroms der Fotodiode selbst auf 500uA? einen Strombegrenzer mit, die nicht richtig Training tat, weil der Ansatz selbst den Frequenzgang beeinflusst und fügt auch Verzerrung auf das Signal, die Frage zitiert versucht , den Strom zu 5 mA kann es auch für 500uA angewendet werden , um zu begrenzen, es finden sich hier , wie Es ist gescheitert. Ich möchte es nicht hierher bringen.

Bitte schlagen Sie mir einen alternativen Ansatz vor, um dieses Problem anzugehen, oder Änderungen am vorhandenen Design, um das Problem zu beseitigen. Um es kurz zu machen, ich möchte den Bereich von 1uA-5mA abdecken

Sie haben einige Probleme mit Ihrer Schaltung. Erstens ist LTC6268-10 ein 5-V-Teil. Sie können nicht gehen und es +/- 5V füttern! Bei +/- 2,5 V funktioniert die Schaltung eher wie angegeben.

Zweitens schwingt Ihre Diodenschaltung, weil die Rückkopplung des Operationsverstärkers aus dem Gleichgewicht gerät. Sehr wissenschaftlich, ich weiß, aber ohne sich die Mühe zu machen, können Sie dies beheben, indem Sie dem Lichtsensor einen Vorwiderstand hinzufügen, der dem TC Ihres Bypass-Widerstands entspricht. Sie benötigen auch einen Vorwiderstand an der Diode. Verwenden wir dafür 100R.

Für den Lichtsensor-Serienwiderstand entspricht 1k + 1p etwa 12p und 82R. Wenn wir ein wenig experimentieren, werden wir feststellen, dass 22R schneller reagiert, aber mehr klingelt und 1k instabil ist.

3. Sie haben jetzt eine Spannungsbegrenzungsschaltung, Glückwünsche! Leider ist MMSD4148 keine schnelle Wiederherstellungsdiode, das Ausschalten dauert nur 5 ns. Das ist nicht gut für 10ns Impulse!

Ersetzen wir es durch ein viel vernünftigeres vishay BAS70E6327 mit 100ps Trr.

Viertens, yay, jetzt haben wir eine Spannungsklemmung, die ziemlich vernünftig funktioniert. Es ist jedoch nicht genau ausgewogen. Wenn Sie nach unten gehen, zieht diese Diode + 100R-Widerstand den Ausgang viel schneller nach unten, als 1k den 12pF-Kondensator in die andere Richtung aufladen kann. Um die Verletzung zusätzlich zu beleidigen, klemmt 100R die Spannung ziemlich nahe am Vf, so dass wir einen schönen scharfen Übergang in die eine Richtung und einen RC-Abfall in der anderen sehen.

Wir können dieses Aussehen schöner machen, indem wir den Vorwiderstand auf 330R ändern, aber es sieht meistens besser aus, da jetzt das Spannungsklatschen auf einer höheren Spannung liegt und das Klingeln beseitigt ist, aber es tut nichts, um auf Null zurückzukehren.

Dieser Abfall wird durch die parasitäre ~ 2pF-Kapazität dieser Diode verursacht. Sie möchten also im Grunde genommen eine ultraschnelle Erholung, einen ultraniedrigen Rückstrom und eine ultrakleine Kapazität. Tun wir nicht alle.

Ihr Grundproblem hier im Allgemeinen ist, dass Ihr Messbereich ziemlich unvernünftig ist. Auf der anderen Seite möchten Sie ein 1uA / 1mV-Signal messen (wie?) Und dann kommen Sie zurück und möchten auch ein 1mA / 1V-Signal mit derselben Schaltung verarbeiten! Sie erhalten das Ende der RC-Verzögerung, das die Dinge immer mehr abrundet, je stärker das Signal ist. Bei 1 mA sind es + 14 ns, um 1 mV zu überqueren. Bei 100uA sind es 11ns. bei 10uA sind es ungefähr 8ns. Bei 1uA haben Sie das gegenteilige Problem, da das Signal nicht 1 mV erreicht, sondern unendlich näher kommt.

Für jede Art von Wiedergabetreue ist also definitiv eine andere Art von Schaltung oder ein begrenzterer Signalbereich oder längere Impulse erforderlich. Es wäre auch hilfreich, die Stabilitätsanalyse der Rückkopplungsschleife ordnungsgemäß durchzuführen, da sie hier offensichtlich marginal ist. Ich denke, die Verwendung eines 500-MHz-Verstärkers mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit würde besser funktionieren als ein 4-GHz-Verstärker. Sie können dieselbe 3-kV / us-Anstiegsrate von 300-500-MHz-Teilen erhalten und sie sind viel stabiler. Es würde auch helfen, wenn Sie diese perfekte Diode finden könnten, aber ich lasse es als Übung für Sie, ich habe schon Ewigkeiten damit verbracht.

Hier ist die modifizierte Schaltung.

Zuerst könnten Sie versuchen, die Dioden durch quadratisch gebundene BJTs zu ersetzen. Wie im Bild erwähnt, verbessert sich die Stabilität.

Anstatt das Rad neu zu erfinden, kann es nützlich sein, die Anleitung von TI zu logarithmischen Verstärkern zu lesen . Insbesondere Abbildung 1 mit I_in als Eingangsstrom.

Um das PDF etwas mehr zu zitieren ... "Dies bestätigt, dass die Ausgangsspannung der Schaltung logarithmisch mit dem Eingang der Schaltung zusammenhängt."