¿Cuál es la mayor ganancia estable práctica posible?

Tengo una aplicación de retroalimentación para configurar el voltaje de un nodo en el que hay una pérdida considerable en el bucle. Las simulaciones me dicen que una ganancia de voltaje diferencial de 10000, 80dB (más o menos lo que normalmente se obtiene de un solo amplificador operacional de circuito abierto) no es adecuada y necesitaría del orden de 140dB para que la aplicación sea factible.

Tenga en cuenta que el ruido no es realmente un problema en esta aplicación (dentro de lo razonable), pero es deseable un ancho de banda de ~ 1 MHz, lo que establece un producto de GBW algo loco de   10 13 . Además, necesito una corriente de polarización de entrada muy baja (<1 µA).

Un amplificador multietapa no parece viable, ya que aumentaría el orden del sistema y tendería a hacerlo inestable en condiciones de realimentación. Antes incluso de comenzar a considerar diseños discretos y optimizaciones (o construir mis propios circuitos integrados para esta aplicación), o simplemente descartar la idea completa y volver a la mesa de dibujo, me gustaría saber qué tan viable sería esto:

  1. ¿Cuál es la mayor ganancia/GBW de ancho de banda de una sola etapa/un solo polo alcanzable (me parece recordar que una ganancia de ~200 es aproximadamente el límite de la electrónica discreta).
  2. ¿Cuál es la mayor ganancia/GBW de doble etapa alcanzable (la mayoría de los amplificadores operacionales entrarían en esta categoría).
  3. ¿Se podría compensar un amplificador de etapas múltiples (> 3) de tal manera que esto sea posible?
  4. ¿Cuál es el amplificador operacional de mayor ganancia/GBW actualmente disponible en el mercado?
  5. ¿Una topología diferente (p. ej., Norton o amplificador de transconductancia) proporcionaría una forma de sortear estas limitaciones?

Actualmente estoy diseñando en torno a un LTC6269IDD-10 algo difícil de conseguir. Un amplificador operacional GBW de 4 GHz con compensación de ganancia no unitaria. Pero incluso esto está demostrando ser un desafío.

Esquema conceptual (tenga en cuenta que la mayoría de los parámetros no se pueden modificar y son algo aleatorios por naturaleza, lo que incluye las resistencias, los condensadores y la fuente de la señal):

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

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Creo que lo que necesita aquí es un amplificador de retroalimentación actual, pero no tengo suficiente experiencia para decir mucho más que eso.
Tal vez necesite compensar la pérdida en la retroalimentación no aumentando la ganancia en el bucle general, sino agregando un amplificador (antes o después de esa atenuación) con su propia retroalimentación. De esa manera, el requisito de ganancia en el bucle general se vuelve mucho más bajo.
@Bimpelrekkie Dado el requisito de ~ 80dB, eso ya es un amplificador operacional en bucle abierto (con todos sus polos). Pero agrega algunas posibilidades, en caso de que pueda reducir los requisitos de ganancia en algunos órdenes de magnitud.
Dado el requisito de ~ 80dB, eso ya es un amplificador operacional en bucle abierto. Luego, divídalo en dos o más amplificadores en cascada, cada uno un amplificador operacional con su propia retroalimentación. ~80 dB en un bucle me parece demasiado para un bucle, especialmente si necesita un ancho de banda de más de unos pocos kHz.
Obtendrá un acoplamiento de más de -80dB en los rieles de la fuente de alimentación y otras fuentes parásitas. Básicamente, su señal de retroalimentación se verá inundada por la salida de su propio amplificador. Puede ser una buena idea publicar un esquema, si puede.
@Bimpelrekkie 80 dB en un bucle me parece demasiado para un bucle, estoy de acuerdo. Por eso hago esta pregunta. Pero tenga en cuenta que el propósito de la ganancia es crear ese bucle para forzar un voltaje en un nodo en particular, no solo estoy amplificando una señal para usarla en otro lugar, por lo que una cascada de amplificadores no funcionaría para esta aplicación (sin una compensación seria , eso es)
@SpehroPefhany que casi garantizará la oscilación en esta aplicación a menos que se desarrolle algún método de compensación de espacio de estado que requiera electrónica discreta, ya que los amplificadores operacionales podrían no ser lo suficientemente observables para eso. (Nota: estamos hablando de (140/3)dB ~50dB por etapa, lo que sigue siendo excesivo). El objetivo es el circuito de retroalimentación, no la señal.
¿Puedes explicar un poco más lo que estás tratando de hacer? Veo un poco de desconexión entre su comentario acerca de que el ruido no es un problema y una ganancia de 140dB. Si su señal de salida está en el rango de 1V, entonces está buscando una señal de entrada de 100nV. Si eso tiene un ancho de banda de 1MHz, eso es ruido blanco en el rango de 100pV/rt(Hz) que es ummm... desafiante.
@TimWescott Agregué un esquema conceptual (funcionaría perfectamente si pudiera encontrar uno de esos "amplificadores operacionales ideales" de los que sigo escuchando ...)
@SpehroPefhany Estoy tratando de eliminar la interferencia de un nodo. La razón por la que el ruido no es un problema es que sería un modo común para mi medición real, que podría tolerar ~10 mV de ruido aleatorio RMS o un valor muy laxo de 10 µV/sqrt (Hz).
El modelo me parece mal para quitar el ruido de CM. No debe ser una conexión a tierra local en comparación con una señal remota con GBW = 1e14 y un LPF de 90 grados para reducir el margen de fase, sino un amplificador diferencial con un blindaje impulsado por la señal DM para derivar el ruido CM con ganancia unitaria. También conocido como usos de vigilancia activa en EEG. Con estrangulador CM de 1 MHz.
¿Qué voltaje de salida a 1 MHz necesitará?
Recuerdo haber medido la ruta de un espejo de corriente de 3 transistores, en un Fairchild Curve Tracer, como de aproximadamente 5 megaohmios. Un par diferencial bipolar funcionando a 20 mA tendría una transconductancia de 1/2,6 ohmios; Combine el espejo y el par diferencial, y tendrá Av de 2,000,000X.
@analogsystemsrf Re: ¿Qué voltaje de salida a 1 MHz está un poco en el aire ya que estoy tratando con modelos imperfectos y parásitos? Lo que SÍ sé es que necesito poder atenuar ~1Vpp @ 100kHz en el nodo de destino, lo que implica del orden de 10Vpp en el circuito de retroalimentación (esto no es deseable por diferentes razones, así que lo estoy abordando por separado, y preferiría permanecer por debajo de 5Vpp en general).
No estoy seguro de si podrá encontrar uno que cumpla con sus requisitos de ancho de banda, pero algunos amplificadores de instrumentación son capaces de alcanzar ganancias de más de 10,000.

Respuestas (2)

¿Cuál es la mayor ganancia/GBW de ancho de banda de una sola etapa/un solo polo alcanzable (me parece recordar que una ganancia de ~200 es aproximadamente el límite de la electrónica discreta).

Estos amplificadores de corte son las ganancias más altas que he visto, a 240dB o más con una ganancia unitaria de 300kHz. Eso es un GBWP de 3 * 10 ^ 29, no te emociones demasiado, son caros.

¿Cuál es la mayor ganancia/GBW de doble etapa alcanzable (la mayoría de los amplificadores operacionales entrarían en esta categoría). ¿Se podría compensar un amplificador de etapas múltiples (> 3) de tal manera que esto sea posible?

En mi opinión, el principal problema será el ruido, especialmente si los amplificadores operacionales tienen una red de retroalimentación de alta ganancia. El problema es que el ruido del primero se multiplicará por el segundo, por lo que si tiene una ganancia de 10^6 en la segunda etapa y un ruido de 1uVpp en la primera etapa, la segunda etapa verá 1Vpp de ruido de la primera. 1uVpp no ​​será útil para la mayoría de los diseños.

En todos los sistemas de alta ganancia que he diseñado, lo mejor es ocuparse de la mayor parte de la ganancia en la primera etapa. Incluso las resistencias se convierten en fuentes de ruido importantes a 1 MΩ, y si desea una ganancia de "solo" 10 ^ 6. El ruido 1/F es un problema aún mayor con alta ganancia.

Pero realmente, ¿qué estás tratando de hacer? Los sistemas digitales analógicos típicos tienen un preamplificador que se alimenta a un ADC. Si se aumenta el ruido, solo se aumentará la cantidad de bits ruidosos en un ADC. Incluso si el preamplificador no se usa para la conversión digital, el ruido aún se aplica en los sistemas de control. En mi experiencia, lo que realmente importa es la SNR, por lo que si esa cifra no se ha calculado, entonces debería serlo.

Hay opciones de etapas múltiples, en la etapa de preamplificador, los amplificadores se pueden conectar en paralelo para reducir el ruido, siendo el ruido ( 2 ) norte a metro pag s . Por lo general, con amplificadores operacionales normales, las ganancias superiores a 10000 son difíciles. He intentado conectar amplificadores operacionales en paralelo para reducir el ruido, funciona bien.

¿Una topología diferente (p. ej., Norton o amplificador de transconductancia) proporcionaría una forma de sortear estas limitaciones?

No que yo sepa, la forma de evitar los problemas de alta ganancia es cortar amplificadores que ayudan a reducir el ruido. Sin embargo, la curva de aprendizaje es muy empinada.

Otra forma de evitar estos problemas es dividir el ancho de banda en diferentes cadenas de señal. Por ejemplo: necesita 1e13 con un ancho de banda de 1e6, lo que significa una ganancia de 1e7 en DC. Una forma de dividir esto sería tener una cadena de señal de varias etapas con filtros de paso de banda. Una cadena podría cubrir 100 Hz con una ganancia de 1e7, luego otra etapa podría cubrir de 100 Hz a 1000 Hz con una ganancia de 1e7, la siguiente cubriría de 1 kHz a 1000 kHz, etc. Esto es solo una ilustración.

Hagas lo que hagas, será costoso tanto en hardware como en tiempo de diseño. Ahora sería un buen momento para ver los requisitos a nivel del sistema y asegurarse de que sean correctos y que el costo de este diseño esté justificado.

En mi opinión, las ganancias de bucle cerrado estables prácticas más grandes posibles (V/V) que son útiles serían alrededor de 10000.

¡Ay! Me gustaría ver el diseño de ese helicóptero.
Cómo funciona el amplificador chopper absoluto (censurado)‽

Aquí hay un amplificador operacional de una sola etapa de ganancia, gana alrededor de 100,000; fue una ganancia de diez estable, estableciéndose en aproximadamente 7 nanosegundos para un borde de entrada de 1 nanosegundo, ganancia de 11X.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

No veo cómo esto ayuda de alguna manera.
El OP se pregunta si 200x es la mayor ganancia posible en una etapa. Esto dice que no.
¿Cómo es esto mejor que cualquier amplificador operacional moderno con una ganancia de bucle abierto de más de 10e6 (que es bastante común)? ¿Cuál es el ruido en este amplificador?
Observe el tiempo de asentamiento.
@ laptop2d, ¿podría señalar esos amplificadores operacionales? No estoy seguro de haber visto nada arriba 10 5 de ganancia en lazo abierto.
Aquí hay una lista de amplificadores operacionales con una ganancia de bucle abierto de más de 120db analog.com/en/parametricsearch/11070#/… (si funciona bien)
@laptop2d gracias!! Supongo que nunca me molesté en mirar esa columna. Pero, como de costumbre, los compromisos que tendré que hacer pueden ser inaceptables por otras razones (solo GBW redujo mis opciones a dos), todos los que miré requerirían un poco de rediseño.
¿Cuál es la mayor ganancia estable práctica posible?
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