Conducir una carga difícil con un amplificador operacional: alta capacitancia, alta corriente, alta velocidad

Me he estado golpeando la cabeza contra este problema todo el día. Tengo una carga extraña que necesito para conducir más de 88 pies de SMA que es un pullup de 68 ohmios a 15V. El cableado agrega 2,64 nF de capacitancia. Lo he esbozado a continuación.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Estoy manejando pulsos analógicos negativos (en el peor de los casos de 0 V a 3 V y viceversa) donde tanto la amplitud como el ancho del pulso son importantes, con tiempos de subida de hasta 20 ns. De alguna manera tengo que lograr:

  • Sobreimpulso bajo (<135 mV)
  • Precisión de alta amplitud
  • Estabilidad (¡esto ha sido lo más difícil!)

Debido a que esto requiere hundir 18V / 68 Ω = 265 mA, no puedo usar un opamp. Así que probé un circuito opamp amplificado por corriente así:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Originalmente diseñé esto sin considerar la capacitancia del cableado y logré hacerlo perfecto, pero oscila una vez que agrego los 2.64 nF, como se puede ver a continuación. Probé muchos transistores y amplificadores operacionales diferentes, adivinando qué parámetro afectaría esto, pero no puedo deshacerme de la oscilación. También estoy atascado con un amplificador operacional de alta velocidad (BW> 50 MHz) debido a los rápidos tiempos de subida.

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Actualmente, mi única solución viable parece ser un simple seguidor de voltaje sin retroalimentación. Tendría que calibrar la caída de VBE y la dependencia de la temperatura, lo que lo convierte en un sistema terrible.

Mi pregunta es esta. ¿Qué causa esta oscilación y qué debo hacer durante la selección de piezas para evitarla, o cómo podría amortiguar la oscilación?

Tal vez intente algo como esto: ti.com/lit/ds/symlink/lmh6321.pdf
Intente eliminar C3 y agregue un condensador (pocos pF) entre la salida del amplificador operacional y la entrada inversora. Y use un mejor transistor, el 2N2907 no tiene suficiente ganancia en esas frecuencias.
@JonathanS. Probé un transistor más rápido (ZXTP25100 con 200 MHz BW) sin suerte, ¿crees que necesito aún más? También probé una tapa conectada así, tampoco tuve suerte.
@JohnD ¡Buena parte! El almacenamiento en búfer de bucle abierto es nuevo para mí, pero parece que podría funcionar. Tenía la esperanza de resolver mi problema conservando la retroalimentación, en parte porque mi proyecto es mil temp, por lo que prefiero no depender de los circuitos integrados. ¡Pero lo tendré en cuenta!
PODRÍA colocar el búfer dentro del ciclo de retroalimentación si puede descubrir cómo adaptar la respuesta de ciclo abierto para que sea estable cuando cierre el ciclo.
National (ahora TI) solía fabricar el LH0063.
Creo que hay una falla básica, modelar 30 m de cable con bordes de 20 ns (4 m de longitud) como un simple capacitor no puede tener en cuenta todos los efectos de la línea de transmisión que, en cambio, gobierna.
@carloc Tienes razón en cierto sentido. Definitivamente necesito una resistencia en serie de 50 ohmios. Pero el circuito oscila incluso en una condición de estado estable. Si solo busco la oscilación, ¿es justo modelar el cable como un capacitor?
Creo que una serie de 50 ohmios aliviaría mucho las especificaciones de su búfer al aislar de alguna manera la capacitancia del cable, de hecho, hay muchos amplificadores operacionales y búferes prefabricados especificados que manejan líneas de 50 ohmios. Sin embargo, modelar un cable como un capacitor simple está relacionado con su longitud con respecto a la longitud de onda de la señal y la impedancia de carga con respecto a la impedancia característica del cable, dependiendo de la frecuencia de autooscilación, puede estar bien.
@carloc Sí, aún no he tenido tiempo de publicar una actualización, pero descubrí que los 50 ohmios tenían la ventaja de aislar la capacitancia del amplificador operacional y detener la oscilación. También he implementado el push-pull según la respuesta a continuación. El único problema es que los 50 ohmios crean un divisor de voltaje con el pullup de 68 ohmios, ¡por eso lo omití originalmente!

Respuestas (1)

La salida Q1 del diseño del circuito proporciona excitación solo en la parte negativa de la señal de salida y es discontinua. Cuando la señal se vuelve positiva, la corriente para impulsar la salida en R6 en la dirección positiva no puede provenir de Q1, por lo que el voltaje debe aumentar desde la resistencia pull-up y el RC de R1 y C2. Mientras tanto, la salida del amplificador operacional (mucho más rápida) se vuelve positiva al riel del amplificador operacional. Una vez que el voltaje R6 alcanza el punto en el que la entrada negativa del amplificador operacional inicia el impulso del amplificador operacional en la dirección opuesta, el amplificador operacional debe salir de la saturación y reducir la capacitancia de la base y del molinero a un voltaje que enciende Q1. Una vez más, la salida del amplificador operacional irá al riel a medida que el voltaje base se retrase, lo que provocará un sobreimpulso nuevamente y todo el proceso comenzará nuevamente. Necesitará una unidad push-pull en este circuito para que pueda conducir la carga en ambas direcciones y mantener el amplificador operacional fuera de la saturación. Esto requerirá dos transistores. También debe evitar la discontinuidad: en este circuito, un cambio en el voltaje de salida del amplificador operacional no significa un cambio en la salida del circuito a menos que Q1 esté "encendido". Entonces, un circuito push-pull que mantiene los transistores de salida del amplificador de accionamiento en la región activa. ¡Buena suerte!

Santo cielo. Después de un escaneo rápido, creo que tienes razón. Intentaré agregar un circuito de "empuje" y publicaré mis resultados.
Una pregunta, ¿por qué necesito dos amplificadores operacionales? ¿No sería aceptable tener un amplificador operacional con un seguidor PNP y NPN en su configuración push-pull estándar como esta: en.wikipedia.org/wiki/Push%E2%80%93pull_output#/media/…
@jalalipop No, porque eso tendría una "zona muerta" donde ninguno de los transistores está encendido debido a la caída de voltaje del emisor base. Y es posible que desee utilizar transistores de RF con una frecuencia de transición de ~1 GHz. El 2N2907 y el ZXTP25100 (ft=200 MHz) solo proporcionarán una ganancia de alrededor de 4 (200 MHz/50 MHz) en esas frecuencias, lo que posiblemente arruine su tiempo de subida y bajada.
Ah, sí, veo que mencionaste eso en tu respuesta ... Creo que existe la preocupación de que ambos BJT estén encendidos simultáneamente con dos amplificadores operacionales independientes que los controlan. Simularé y buscaré esto.
Debería haber dicho "dos transistores" y no "dos amplificadores operacionales". voy a editar
Puede intentar evitar la discontinuidad de la manera descrita en electronics.stackexchange.com/questions/264084/…
@JohnBirckhead Lo intenté, pero la precisión de la amplitud no es excelente debido a la falta de coincidencia entre el diodo Vf y el BJT VBE, especialmente con toda la corriente absorbida por los transistores.
Estaba tratando de sugerir agregar esta etapa después del amplificador operacional y usar la misma estrategia que en su diseño (retroalimentación de la salida).
Esto no solucionó la oscilación por sí solo, pero esto más una resistencia en serie de 50 ohmios (que necesitaba de todos modos) después del punto de retroalimentación lo hizo por mí. La resistencia sola no fue suficiente. ¡Gracias!
Conducir una carga difícil con un amplificador operacional: alta capacitancia, alta corriente, alta velocidad
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