Optimización del comportamiento de recuperación de sobrecarga del amplificador operacional

Estoy midiendo un termopar que se conectó en serie con un elemento calefactor. El calentador funciona con PWM y cuando PWM está fuera de servicio, se toma una medida a través de la salida A0 usando un ADC.

Las partes relevantes del circuito se pueden ver a continuación.nRWPpE.png

Creo que es una aplicación de amplificador operacional bastante estándar. El diodo doble BAV199 sujeta la entrada a un nivel seguro (~ 900 mV) para la entrada del opamp (porque el calentador funciona con un voltaje más alto que el suministro del opamp).

Dado que esta configuración sin inversión requiere una ganancia relativamente alta para medir una señal de termopar pequeña, la salida se satura fácilmente cuando se enciende el calentador.

El problema es que cuando el calentador está encendido; el amplificador operacional "ve" esto sujeto a ~ 900 mV en la entrada, porque ~ 300 de ganancia se sobrecarga y lleva mucho tiempo recuperarse.

nRWJHh.png

El rastro amarillo es la entrada del amplificador operacional, el azul es la salida. El tiempo total de estabilización es de alrededor de 100 uS, lo que está arruinando mi estrategia de PWM en ciclos de trabajo elevados. Además, cuando (creo) el amplificador operacional se recupera de la sobremarcha, también lleva mucho tiempo alcanzar los valores correctos (me refiero a la curva, que comienza desde el punto de activación hasta el segundo cursor y toma 50uS).

No puedo explicar estos resultados, probablemente porque no tengo experiencia en el dominio analógico. (tipo de software aquí)

Estoy usando MCP6V26 , según la hoja de datos "Tiempo de recuperación de sobremarcha de salida" es 45uS typ. y la "Velocidad de respuesta" es 1V/uS. Especialmente la velocidad de respuesta, que estoy asociando con la señal de "descomposición" al final del trazo azul; no coincide con los valores de la hoja de datos.

También tiene un ancho de banda de 2MHz y solo estoy usando una frecuencia PWM de ~100Hz; por lo que no debería ser un problema allí.

Teniendo en cuenta estos requisitos de entrada y salida;

  • ¿Estoy haciendo algo terriblemente mal,
  • Si no, ¿puedo obtener una respuesta de salida más rápida de esta configuración?
  • ¿Existe un enfoque más apropiado para hacer esto (desde la perspectiva del hardware)?

Gracias.

El GBW es de 2 MHz, lo que con una ganancia de x300 significa que el BW normalmente es de 6 kHz, puede ser menor. Poner un diodo a través de R9 sujetaría la salida sobrecargada dentro del rango del amplificador, y más cerca del voltaje final, para una recuperación de sobrecarga más rápida y menos lejos para girar. Reducir la ganancia mejoraría el ancho de banda, dividiría la ganancia entre dos amplificadores. El segundo amplificador no necesita ser tan elegante ya que funciona con una señal más grande, digamos x30 en el 6V26, seguido de x10 en un amplificador más económico.
@sabbath. ¿Por qué no deshabilitar la entrada al opamp cuando la calefacción PWM está encendida? Esto puede ser más simple que lidiar con el problema de recuperación de sobrecarga.
@Neil_UK Tengo la intención de usar todo el rango de salida de 0-5V del amplificador operacional porque quiero obtener la máxima resolución de mi ADC. ¿El diodo paralelo R9 no limitaría el rango de salida a 0-Vf del diodo? Si me equivoco, por favor corrígeme. Y para la ganancia de 2 etapas: es sensato, pero no estoy seguro de estar "limitado" por el ancho de banda por ahora. Además, mi segundo amplificador operacional al menos debe ser de riel a riel, ya que estoy usando un solo suministro y quiero todo el rango. Probablemente, un amplificador operacional genérico no sería suficiente: debe ser un poco más elegante. Gracias.
@Autistic Idea interesante, puedo acortar la entrada opamp (con un FET) al suelo mientras PWM está activado. Lo probaré, pero ya tengo PCB a mano; si es posible, prefiero usarlos con "bodges" menores. La solución FET necesitará un modwire en la capa superior e inferior en mi diseño actual. Gracias.

Respuestas (3)

¿Estoy haciendo algo terriblemente mal?

El amplificador operacional elegido es totalmente inadecuado para sus expectativas. El producto del ancho de banda de ganancia es de 2 MHz y eso significa que, como amplificador de ganancia unitaria, tendrá un ancho de banda de 2 MHz. Con una ganancia de diez tendrá un ancho de banda de 200 kHz. Con una ganancia de 100 su BW será de 20 kHz. ¡Esperas una ganancia de 300!

Además, el tiempo de estabilización de la respuesta al escalón del amplificador es normalmente de 150 us.

Si no, ¿puedo obtener una respuesta de salida más rápida de esta configuración?

Para operar de la manera que planea, necesita un amplificador operacional mucho, mucho más rápido o necesita encontrar una manera de sujetar el voltaje del calentador a prácticamente cero voltios para que el amplificador operacional no tenga que recuperarse de la saturación y lidiar con una respuesta de paso masiva.

¿Existe un enfoque más apropiado para hacer esto (desde la perspectiva del hardware)?

Consideraría usar una técnica de muestra y retención para que el termopar se desconecte de la entrada justo antes de que el calentador se encienda y se vuelva a conectar justo después de que el calentador se apague. Use un capacitor de 100 pF para "mantener" el voltaje del termopar cuando no esté conectado.

En su segundo párrafo, ¿no puede simplemente conectar en cascada un par de amplificadores operacionales con una ganancia menor? Si usara 4 amplificadores operacionales con una ganancia de 4.16 => 4.16 4 ≈ 300 entonces tendría el ancho de banda y la ganancia. ¿O estoy pensando mal?
@HarrySvensson Neil mencionó esto en un comentario debajo de la pregunta, pero aún tiene que lidiar con el tiempo de establecimiento de la respuesta del paso del amplificador. Por cierto, he robado todos los caracteres especiales de tu perfil para mi uso, muchas gracias, muhuhahaha.
No creo entender completamente por qué el ancho de banda del amplificador operacional está afectando mi aplicación. Con 300 de ganancia y GBW de 2MHz, espero ~6KHz de ancho de banda. Estoy usando PWM de 100 Hz y también solo estoy interesado en el rendimiento de CC. Probablemente me estoy perdiendo algunas cosas fundamentales, ¿podría elaborar esto? Gracias.
Una vez que haya modificado su señal de CC seleccionándola repetidamente y luego llevándola a un valor alto, perderá el contenido de CC relevante. Esto es bastante similar a la modulación de amplitud: todo su contenido espectral útil se mueve de CC a 100 kHz y, por lo tanto, para recuperarlo intacto, debe usar amplificadores que puedan manejar 100 kHz (y algo más) con la ganancia que desea.

Coloque 3 diodos de baja capacitancia de baja fuga en serie. Ahora, péguelo en paralelo con su resistencia de retroalimentación R9.

Cuando el voltaje de salida del opamp sea lo suficientemente alto, los diodos conducirán y su ganancia de 200x se convierte en un seguidor de ganancia unitaria.

Esto evitará que el opamp se recorte, por lo que no tendrá que recuperarse del recorte. Sin embargo, no convertirá este opamp lento en uno rápido. Siempre puedes intentarlo, es sencillo y barato.

@Neil_UK sugirió un enfoque similar, pero ¿puedo preguntar si los diodos R9 paralelos no limitan el rango de salida a 0-Vf (× recuento de diodos) del diodo? Tengo la intención de usar todo el rango de salida de 0-5V del amplificador operacional porque quiero obtener la máxima resolución de mi ADC. Gracias.
Sí, restringirá el rango de salida, para evitar la saturación de opamp.

Todos los amplificadores operacionales de autocero sufren un largo tiempo de establecimiento después de la saturación debido a las largas constantes de tiempo necesarias en la ruta de autocero. He visto que tarda muchos milisegundos con algunos amplificadores

Diagrama de bloques de autocero

Este diagrama de la sección 4.1.2 de la hoja de datos muestra los aspectos importantes del opamp.

El amplificador principal es un amplificador convencional con probablemente milivoltios de compensación pero con el ancho de banda completo del amplificador final.

El amplificador nulo es un amplificador de chopper lento con microvoltios de voltaje compensado pero bajo ancho de banda.

Periódicamente (cada 40 us en este caso), el amplificador nulo se conecta para detectar el voltaje en la entrada del amplificador principal y, si no es cero, para establecer un voltaje de corrección en Cfw para hacer que la compensación del amplificador principal sea muy baja. nivel.

Este proceso de puesta a cero automática se interrumpe cuando el opamp está saturado y Cfw se cargará a un voltaje relativamente alto en un intento de poner a cero la compensación; esto sucede cuando está conduciendo el calentador.

Cuando se reanudan los voltajes de entrada normales, toma mucho tiempo para que Cfw se descargue al voltaje de operación correcto; todo este tiempo el amplificador principal estará saturado.

Estoy de acuerdo con las sugerencias de @autistic y @Andy Aka de desconectar el amplificador de la fuente de saturación mientras se produce el calentamiento. Incluso entonces, deberá tener cuidado de que la inyección de carga mediante el interruptor analógico u otro dispositivo que use no cause una saturación significativa durante el tiempo suficiente para causar un problema.

Gracias por describir el funcionamiento interno, fue útil para entender lo que está pasando y lo que debo esperar. Como alternativa a desconectar el amplificador, creo que puedo cortocircuitarlo a tierra con un FET, con su compuerta impulsada por la misma señal PWM que va al calentador. Creo que de esta manera solo puedo estar limitado por la velocidad de respuesta del amplificador operacional, que a 1V/us, debería tomar 5uS como máximo. (La entrada Opamp se mantiene entre 0 y 20-ish mV) ¿Es plausible ese enfoque? Gracias.
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