¿Cómo mantener el amplificador operacional descompensado en la región lineal?

Fondo

Para aplicaciones de transimpedancia, desea mantener los amplificadores operacionales en su región lineal y evitar la saturación del amplificador operacional y la recuperación de sobremarcha.

Esto se puede hacer con un circuito de control de ganancia automático simple cuando se usa un amplificador operacional estable de ganancia unitaria, por ejemplo

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Cuando el diodo se enciende, la respuesta de bucle cerrado mantiene el mismo ancho de banda, pero su magnitud disminuye. El factor de retroalimentación de alta frecuencia Cfeedback/(Cfeedback+Cin) se aproxima a 1, pero no es un problema porque el amplificador operacional tiene una ganancia unitaria estable. He implementado esto con un OPA656 y funciona bien.

Esto no funcionará con un amplificador descompensado. Oscilará cuando haya demasiada retroalimentación de alta frecuencia. He visto esto con el OPA846.

Pregunta

¿Cómo se mantiene un amplificador descompensado en su región lineal en una aplicación de transimpedancia?

He intentado simular el circuito a continuación, con la esperanza de que la activación de una capacitancia de entrada adicional reduzca la retroalimentación de alta frecuencia, pero los resultados son deficientes.

esquemático

simular este circuito

Los valores de los componentes en los esquemas no son los que estoy usando en mi circuito real. Son valores redondos para simplificar la discusión del circuito, por ejemplo, el factor de retroalimentación de alta frecuencia del primer circuito cuando el diodo está apagado es 1/101. Los valores de mis componentes reales están ajustados para la velocidad máxima, cerca del borde de la estabilidad, no se conocen exactamente debido a los parásitos de la placa, y distraerían la atención de la pregunta.

Pensándolo bien, usar un transistor para cambiar los elementos de retroalimentación como en el segundo circuito probablemente no funcionará, ya que habrá una ruta de retroalimentación de CA con una ganancia de 1 desde la base hasta el emisor.
¿Por qué quieres usar un amplificador operacional no compensado?
@berto son más rápidos.

Respuestas (3)

Si tu amplificador se comporta bien a niveles bajos de corriente con el OPA846, y el problema ocurre solo a niveles altos, entonces creo que tendrías tres posibilidades:

1) Reduzca R1 para que tenga menos ganancia de transimpedancia: habrá más rango para la corriente, pero perderá resolución (amplificación).

2) Ajuste del circuito limitador de ganancia (R2, C2, D1 del primer esquema de su pregunta): si este circuito funciona bien con el OPA656, quizás también pueda hacerlo funcionar con el OPA846. Intente cambiar R2, para que la rama de control de ganancia no haga que el circuito sea inestable.

3) Agregue más compensación al circuito cambiando C1 o aumentando C3. Tengo la impresión de que si el circuito funciona bien con el OPA656, pero tiene problemas con el OPA846, entonces podría ser un problema de compensación.

Por lo que sé, puede ser difícil pensar en un circuito limitador de corriente para el fotodiodo, ya que las amplitudes de voltaje involucradas suelen ser muy bajas.

Estas podrían ser soluciones, pero sacrifican SNR y/o BW. Si pudiera aceptar un peor rendimiento, simplemente usaría un amplificador operacional estable de ganancia unitaria.

El segundo probablemente habría funcionado si Q1 fuera un MOSFET. Ambos introducen una no linealidad sustancial cerca del umbral. Aquí hay una alternativa.

Algo como esto:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Donde R3/R4 (histéresis) y R6 (carga) deben elegirse para evitar oscilar entre el modo de alta y baja ganancia cuando se está cerca del umbral.

Probablemente necesitará ajustar la forma en que se manejan los pies (la corriente de la puerta se amplifica D:).

¿Por qué usó un disparador Schmitt en lugar de cambiar los transistores con la salida del amplificador operacional? ¿Es para reducir la retroalimentación a través del transistor?
Porque aplicar la salida del opamp a los transistores no necesariamente los enciende o apaga por completo, sino que varía desde completamente apagado por debajo de Vth hasta completamente encendido en algún lugar por encima de eso, introduciendo la no linealidad. Eso puede o no ser un problema para su aplicación.

Observaciones generales

Todos los OPAMP tienen una ganancia mínima de bucle cerrado.

Los OPAMP se compensan para garantizar un margen de fase mínimo en su ganancia mínima especificada (normalmente 0,1).

Si desea tanto la alta velocidad como la estabilidad con un OPAMP no compensado y tiene una ganancia baja, entonces debe compensarse.

Con respecto a la linealidad: la retroalimentación garantiza la linealidad, no tanto la linealidad del circuito abierto del opamp en sí.

Observaciones específicas

El problema ocurre debido al AGC: con alta ganancia, todo está bien, pero con baja ganancia, no. Por lo tanto, debe asegurarse de tener una alta ganancia desde el punto de vista del AOP, o debe compensar el opamp en estos casos.

  1. Podría intentar disminuir su nivel de entrada en lugar de disminuir la ganancia.
  2. Podría intentar agregar una compensación al reducir la ganancia.

En su esquema con Q1, observo que Q1 normalmente no conduciría ya que el voltaje de salida normalmente es más alto que el voltaje de entrada. Pero cuando debido a la oscilación, el voltaje de salida es más bajo que el de entrada, la retroalimentación en realidad aumenta porque está compensando la corriente de entrada, ¡eso es retroalimentación! Entonces, está reduciendo la ganancia y llevando el OPAMP a la región inestable.

Sugerencias

Para reducir la entrada, puede agregar un diodo normal en modo directo. Conducirá poco cuando el receptor tenga una salida baja y más cuando la salida del receptor sea alta, por lo que actuará como un AGC. Necesitará algo de simulación y selección de diodos para encontrar el óptimo. Esto no es retroalimentación del OPAMP, por lo que no afecta su ganancia de bucle cerrado.

Otro problema con su método usando Q1 es que el análisis de señal pequeña se aplica a todo. Creo que deberías tener un circuito rectificador para tener una retroalimentación promedio. Si la retroalimentación del AGC es una corriente de baja frecuencia, no aumenta su retroalimentación de alta frecuencia más que las frecuencias más bajas.

Para mantener baja la retroalimentación de alta frecuencia, debe bloquear la ruta de retroalimentación más alta para las frecuencias altas. Podría agregar una inductancia en serie de la ruta de retroalimentación, o probablemente agregar un capacitor de derivación a tierra en su ruta de retroalimentación.

Agregar compensación para frecuencias altas solo cuando la ganancia es baja parece más difícil. Un condensador de voltaje variable podría ayudar a que un filtro RC se adapte al nivel de la señal, pero parece más difícil de sintonizar.

Espero que estos pensamientos te ayuden.

Examinaré la idea de un filtro para bloquear la retroalimentación de alta frecuencia a través del transistor. ¡Gracias!
¿Cómo mantener el amplificador operacional descompensado en la región lineal?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v