Wie kann ein dekompensierter Operationsverstärker im linearen Bereich gehalten werden?

Hintergrund

Für Transimpedanzanwendungen möchten Sie die Operationsverstärker in ihrem linearen Bereich halten und die Sättigung der Operationsverstärker und die Wiederherstellung des Overdrive vermeiden.

Dies kann mit einer einfachen automatischen Verstärkungsregelschaltung erfolgen, wenn ein stabiler Operationsverstärker mit Einheitsverstärkung verwendet wird, z

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Wenn die Diode einschaltet, behält die Antwort mit geschlossenem Regelkreis die gleiche Bandbreite bei, aber ihre Größe wird verringert. Der Hochfrequenz-Rückkopplungsfaktor Cfeedback / (Cfeedback + Cin) nähert sich 1, ist jedoch kein Problem, da der Operationsverstärker eine stabile Einheitsverstärkung aufweist. Ich habe dies mit einem OPA656 implementiert und es funktioniert gut.

Dies funktioniert nicht mit einem dekompensierten Verstärker. Es schwingt, wenn zu viel Hochfrequenzrückkopplung vorliegt. Ich habe das mit dem OPA846 gesehen.

Frage

Wie hält man einen dekompensierten Verstärker in einer Transimpedanzanwendung in seinem linearen Bereich?

Ich habe versucht, die folgende Schaltung zu simulieren, mit der Hoffnung, dass das Einschalten einer zusätzlichen Eingangskapazität die Hochfrequenzrückkopplung verringern würde, aber die Ergebnisse sind schlecht.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Die Komponentenwerte in den Schaltplänen entsprechen nicht meinen tatsächlichen Schaltkreisen. Sie sind runde Werte, um die Diskussion der Schaltung zu vereinfachen, z. B. beträgt der Hochfrequenz-Rückkopplungsfaktor der ersten Schaltung bei ausgeschalteter Diode 1/101. Meine tatsächlichen Komponentenwerte sind auf maximale Geschwindigkeit nahe der Stabilitätsgrenze abgestimmt, aufgrund von Board-Parasiten nicht genau bekannt und würden von der Frage ablenken.

Wenn sich Ihr Verstärker mit dem OPA846 bei niedrigen Strompegeln gut verhält und das Problem nur bei hohen Pegeln auftritt, haben Sie meines Erachtens drei Möglichkeiten:

1) Reduzieren Sie R1, damit Sie weniger Transimpedanzverstärkung haben: Es gibt mehr Reichweite für den Strom, aber Sie verlieren die Auflösung (Verstärkung).

2) Einstellen der Verstärkungsbegrenzungsschaltung (R2, C2, D1 aus dem ersten Schaltplan in Ihrer Frage): Wenn diese Schaltung mit dem OPA656 einwandfrei funktioniert, können Sie sie möglicherweise auch mit dem OPA846 arbeiten lassen. Versuchen Sie, R2 zu ändern, damit der Zweig der Verstärkungsregelung die Schaltung nicht instabil macht.

3) Fügen Sie der Schaltung mehr Kompensation hinzu, indem Sie C1 ändern oder C3 erhöhen. Ich habe den Eindruck, dass wenn die Schaltung mit dem OPA656 gut funktioniert, aber Probleme mit dem OPA846 hat, es ein Kompensationsproblem sein könnte.

Soweit ich weiß, kann es schwierig sein, sich eine Strombegrenzungsschaltung für die Fotodiode vorzustellen, da die beteiligten Spannungsamplituden normalerweise sehr niedrig sind.

Der zweite hätte wahrscheinlich funktioniert, wenn Q1 stattdessen ein MOSFET gewesen wäre. Beide führen eine wesentliche Nichtlinearität nahe der Schwelle ein. Hier ist eine Alternative.

Etwas wie das:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Wobei R3 / R4 (Hysterese) und R6 (Belastung) gewählt werden müssen, um zu vermeiden, dass in der Nähe des Schwellenwerts zwischen Modus mit hoher und niedriger Verstärkung oszilliert wird.

Sie müssen wahrscheinlich die Art und Weise anpassen, wie die Fets angesteuert werden (der Gate-Strom wird verstärkt D :).

Allgemeine Beobachtungen

Alle OPAMPs haben eine minimale Verstärkung im geschlossenen Regelkreis.

OPAMPs werden kompensiert, um einen minimalen Phasenabstand bei der angegebenen minimalen Verstärkung (normalerweise 0,1) sicherzustellen.

Wenn Sie sowohl die hohe Geschwindigkeit als auch die Stabilität mit einem nicht kompensierten OPAMP und eine geringe Verstärkung wünschen, müssen Sie sich selbst kompensieren.

In Bezug auf die Linearität: Die Rückkopplung gewährleistet die Linearität, nicht so sehr die Linearität der offenen Schleife des Operationsverstärkers.

Spezifische Beobachtungen

Das Problem tritt aufgrund der AGC auf - bei hoher Verstärkung ist alles in Ordnung, bei niedriger Verstärkung jedoch nicht. Sie müssen also sicherstellen, dass Sie aus Sicht des AOP immer noch einen hohen Gewinn erzielen, oder Sie müssen den Opamp in diesen Fällen kompensieren.

1. Sie könnten versuchen, den Eingangspegel zu verringern, anstatt die Verstärkung zu verringern.
2. Sie können versuchen, eine Kompensation hinzuzufügen, wenn Sie die Verstärkung verringern.

In Ihrem Schaltplan mit Q1 stelle ich fest, dass Q1 normalerweise nicht leitet, da die Ausgangsspannung normalerweise höher als die Eingangsspannung ist. Wenn jedoch aufgrund von Schwingungen die Ausgangsspannung niedriger als der Eingang wird, wird die Rückkopplung tatsächlich höher, weil Sie den Eingangsstrom kompensieren - das ist Rückkopplung! Sie verringern also die Verstärkung und bringen den OPAMP in den instabilen Bereich.

Vorschläge

Um den Eingang zu verringern, können Sie im Vorwärtsmodus eine normale Diode hinzufügen. Es leitet wenig, wenn der Empfänger einen niedrigen Ausgang hat, und mehr, wenn der Ausgang des Empfängers hoch ist - und fungiert daher als AGC. Um das Optimum zu finden, müssen einige Simulationen und Dioden ausgewählt werden. Dies ist keine Rückmeldung vom OPAMP, daher hat dies keinen Einfluss auf die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises.

Ein weiteres Problem bei Ihrer Methode mit Q1 ist, dass die Kleinsignalanalyse für alles gilt. Ich denke, dass Sie einen Gleichrichterkreis haben sollten, um eine durchschnittliche Rückmeldung zu erhalten. Wenn die AGC-Rückkopplung ein niederfrequenter Strom ist, erhöht sie Ihre hochfrequente Rückkopplung nicht mehr als die niedrigeren Frequenzen.

Um Ihre Hochfrequenzrückkopplung niedrig zu halten, sollten Sie den höheren Rückkopplungspfad für Hochfrequenzen blockieren. Sie können eine Induktivität in Reihe des Rückkopplungspfads hinzufügen oder wahrscheinlich einen Bypass-Kondensator zur Masse in Ihrem Rückkopplungspfad hinzufügen.

Das Hinzufügen einer Kompensation für hohe Frequenzen nur bei geringer Verstärkung scheint schwieriger zu sein. Ein spannungsvariabler Kondensator könnte helfen, ein RC-Filter an den Signalpegel anzupassen, aber es scheint schwieriger zu stimmen.

Ich hoffe diese Gedanken helfen dir.