El amplificador operacional que conduce un LED oscila, ¿cómo estabilizarlo?

Tengo un circuito controlador de LED simple como este:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El amplificador operacional es OPA354 de 250 MHz, E/S de riel a riel, amplificador operativo CMOS suministrado desde un solo riel de +5 V. El LED es del tipo de tensión directa de 100 mA y 1,4 V. La entrada es un pulso de 0,5 V de un generador de señal.

Lo que veo es que todo funciona más o menos como se esperaba, la corriente del LED durante un pulso es de alrededor de 50 mA, excepto que al comienzo de cada pulso hay una oscilación distinta con un período de ~ 10 ns (alrededor de 5-10 ciclos son visibles ). Algo más preocupante, hay un poco de ruido aleatorio encima de cada pulso, tal vez 50 mV de pico a pico, que va y viene.

El LED tiene una capacitancia decentemente grande de algunas decenas de pF. He leído mucho sobre la estabilización de amplificadores operacionales que impulsan cargas capacitivas, pero estas tendrían la carga capacitiva donde está R1, no dentro del circuito de retroalimentación.

¿Cómo estabilizo el amplificador operacional y evito este tipo de ruido/oscilaciones?

¿Por qué querrías conducir un LED como este? ¿Qué estás intentando lograr?
Necesita una retroalimentación adecuada en su amplificador operacional. Tal como está, tiene la mitad del circuito de retroalimentación y con resistencia variable. Y doblando como una carga. Lo más extraño que he visto.
¿Por qué no usar el circuito de la figura 30 del DS? Tienes detalles del led?
@Andyaka figura 30 de qué hoja de datos? ¿El objetivo/efecto de este circuito parece ser tener una entrada/10 amperios a través del LED?
@vicatcu si observa la pregunta, actualmente solo se menciona una parte y claramente no estoy hablando del LED. El objetivo es impulsar 50 mA y no 10 amperios.
¿Cómo se comporta el circuito si solo haces un seguidor de voltaje simple? (el amplificador operacional ES estable de ganancia unitaria)
@PkP Quiero una corriente controlada y lo más rápido posible de encendido/apagado. Este circuito enciende y apaga el LED en <10 ns, por lo que al menos hace esa parte.
@Maple Es lo que se me ocurrió rápidamente en una placa de prueba. Si tiene una idea mejor para un pulsador LED con corriente controlable, hágamelo saber :)
@Andyaka Wow, eso parece realmente útil, no lo noté. No estoy completamente seguro de cómo funciona. ¿Podría decirme cuáles son las ventajas de eso frente al enfoque que utilicé? Por ejemplo, ¿logra evitar la saturación cuando el LED está apagado?
@AlexI Ya tiene dos respuestas perfectamente buenas y una referencia a la hoja de datos de personas con mucho más conocimiento que yo. Mis ideas son discutibles en este punto :)
@Andyaka Me gustaría informar que la figura 30 del DS está defectuosa. No monitorea la corriente diferencial sino que tiene una histéresis del 9% y permanece encendido todo el tiempo. El Vin+ tiene histéresis y nunca puede regularse en modo lineal o incluso operar en absoluto. Sin embargo, mi esquema funcionará. El primer ejemplo defectuoso en un DS que encontré en la Universidad en 1973 para un generador de escalera RCA... Además, la figura 31 tampoco es buena.
@TonyEErocketscientist Interesante... ¿podría decirme por qué está defectuoso? Estaba a punto de probarlo :)
Un Diff Amp balanceado tiene el divisor Vin+ R a la referencia de tierra, no la salida donde tiene histéresis y oscilación LED insuficiente. También es el sentido de corriente R el que se compara con el voltaje de entrada, no con la caída del diodo láser. Pero no confíes en mí, trata de entender la diferencia entre mi diseño y el de ellos, que es defectuoso. Pero si prefieres ahorrar tiempo, créeme.
Tenga en cuenta que la placa de prueba puede introducir mucha capacitancia perdida, por lo que lo que funciona en una placa de prueba podría no funcionar en una PCB y viceversa.

Respuestas (2)

El enfoque estándar en su caso es modificar ligeramente el circuito:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Desafortunadamente, no puedo darle los valores de los componentes. Dependen del amplificador operacional Y R1. Para empezar, pruebe de 1 a 5k y 100 pF, pero prepárese para experimentar. Obtener un simulador de circuito como una versión SPICE (TINA, LTSpice, etc.) también te permitirá jugar.

Esté preparado para ver comportamientos de encendido y apagado bastante diferentes. En el encendido, el amplificador operacional tiene que salir de una condición muy desagradable, a diferencia de su funcionamiento durante el apagado.

¿Por qué no conducir el LED desde un par diferencial bipolar? A velocidades lentas, el 2n3904 funcionará bien. Use un tercer transistor en la fuente de corriente (la cola larga).

Respuesta breve: reduzca R1 de 10 a 1 ohmio y agregue un divisor de 10:1 en la entrada o según se requiera.

Los límites de corriente de salida alta o Ioh de su amplificador operacional están cerca de su límite operativo de 100 mA impone una caída de voltaje severa internamente en Vds

También para la estabilidad, puede ser difícil de calcular, ya que "satura" la salida que pierde retroalimentación negativa y, por lo tanto, la ganancia lineal cae a cero. Sin embargo, la impedancia del LED es dinámica, por lo que nunca alcanza los 100 mA y la salida puede oscilar dentro y fuera del modo "carril completo" (aunque técnicamente solo se llama saturación en BJT) desde ganancia lineal completa hasta ganancia cero. Una condición muy inestable.

El Iout min > 100mA debido a RdsOn = 35 Ω @ 5V, ¡entonces 100mA resultará en una caída de Vds de 3.5V! o Vout=1.5V Mientras tanto, la corriente sube a 100mA solo si no hay una caída en el sentido de corriente R1, que es 10*0.1A= 1V adicional, por lo que esto suma los 5.9V Vdd necesarios para que funcione.

Entonces, la solución inicial es probar 1 ohmio y luego analizar las tolerancias en el peor de los casos para temperatura, LED y voltaje de suministro.

esquemático

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OPA354

La estabilidad a corrientes más bajas está dictada por el Coss de los MOSFET y C del LED, lo que da como resultado una impedancia no coincidente, especialmente cuando hay un espacio libre inadecuado para Vds internamente.

Especulación

Puede ser necesario aumentar el Vdd a 5,5 para cumplir con la estabilidad a la corriente máxima.

No hay garantía de que funcione a todas las temperaturas, pero está cerca.

Sin embargo, este chip puede disipar 360 mW que deben disiparse y puede requerir un disipador térmico de cobre de la placa del disipador térmico de la carcasa. Rθja=~90'C/W

mejoras óptimas

esquemático

simular este circuito

El diseño de todos los pines de entrada y salida debe hacerse con cuidado para minimizar la capacitancia de carga (desde un plano de tierra) y quizás usar pistas de protección para aislar la capacitancia de retroalimentación. Si hay más capacitancia de retroalimentación positiva que retroalimentación negativa en virtud de la geometría de la pista o del puente (incluso en 1 pF), inducirá un timbre falso. Por lo tanto, esta solución tenía la intención de mantener toda la capacitancia en un mínimo absoluto para un tiempo de subida más rápido pero equilibrado para eliminar el timbre falso. El 1pF tendría que seleccionarse según el diseño.

El valor R de retroalimentación, si es demasiado pequeño, resultará en oscilaciones de relajación salvajes y demasiado grande reduce el tiempo de subida, por lo que la coincidencia de impedancia es crítica para 30 a 50MHz BW a alta corriente y hay más trabajo por hacer aquí.

Más importante en este diseño es ¿cuáles son los criterios de aceptación? para mA, ondulación y ruido máx.
¡Gracias! Los criterios de aceptación, hmm: quiero encendido/apagado rápido (10-20 ns), ondulación baja (tan baja como sea posible después del transitorio inicial) y una corriente de LED precisa (pero no necesariamente proporcional) en función del voltaje de entrada.
Por cierto, sé que este amplificador operacional no podrá conducir 100 mA, solo busco 50 mA en este circuito de placa de pruebas. Elegiría otro amplificador operacional rápido para conducir el LED a su corriente nominal.
Tenga en cuenta que agregué algunos detalles extra finos. Este amplificador operacional puede funcionar. tinyurl.com/yc58vl24 Reduzca R1 a 5 ohmios y escale la entrada en consecuencia.
Intente cambiar Rf & C pF y vea los efectos tinyurl.com/ybp97dnr Desde mi experiencia, los pasos actuales de aumento rápido deben realizarse con CML o controladores de modo actual.
Los valores grandes de retroalimentación R4 también interactuarán con la capacitancia de entrada del amplificador operacional y causarán oscilación, razón por la cual sugerí que se necesita cierta cantidad de experimentación.
la retroalimentación positiva sin una serie R puede causar oscilaciones. Un R4 grande puede afectar la estabilidad, pero en menor grado. Rev 2 tinyurl.com/ybmtzfh3 utiliza una derivación R de 0,5 ohmios
El amplificador operacional que conduce un LED oscila, ¿cómo estabilizarlo?
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