Oscilaciones en el diseño de convertidores de voltaje a corriente de precisión

Estoy tratando de rediseñar el TI Precision Design - Low Level (5uA) V-to-I Converter . Mis objetivos de diseño son:

  • Aumente el ancho de banda de alrededor de 1kHz a 100kHz (idealmente 1MHz en el futuro)
  • Aumente el rango de salida de 0-5uA a 0-50uA

Para aumentar el rango de salida, simplemente disminuí Rset por un factor de 10 hasta 10kOhm. Para aumentar el ancho de banda, necesitaba seleccionar un nuevo amplificador operacional y un amplificador de instrumentación; mientras seleccionaba estos amplificadores, prioricé GBWP> voltaje de compensación de entrada> deriva de compensación. El motivo de esto es que la nota de la aplicación TI dice que las especificaciones de diseño clave para los amplificadores son el voltaje de compensación y la deriva, pero con mi objetivo de aumentar el ancho de banda, moví GBWP a la parte superior.

Me decidí por reemplazar el OPA333 con el OPA277 y el INA326 con el INA118. Tenga en cuenta que cambié de un solo extremo a una potencia de +/- 15 V, esto fue necesario para encontrar amplificadores con el ancho de banda que quería. Mi esquema de toda la configuración rediseñada se encuentra al final de esta publicación.

Estaba teniendo problemas para simular con varias herramientas SPICE (por mi vida no pude hacer que los modelos TI funcionaran en OrCad PSPICE y TINA de TI se me congelaba), así que hice un PCB de giro rápido con el circuito después de obtener algo vagamente simulaciones similares en ejecución. Lo que encontré en el laboratorio es que mi circuito oscila alrededor de 25 kHz y es completamente inutilizable. Estoy seguro de que es mi red de compensación, ya que no cambié ninguno de los valores del diseño de TI, por lo que tiene mucho sentido que mi ancho de banda no sea el deseado de 100 kHz. Me cuesta entender cómo se eligen los valores de la red de compensación y cómo puedo diseñar algo que sea estable. ¿Puede alguien señalarme en la dirección correcta u ofrecer algún consejo?

Debo señalar que intentaré llevar esta corriente a una carga capacitiva (aproximadamente 10 uF después de varios pies de cableado). Para la prueba de banco de primer nivel, estaba intentando llevar la corriente a una carga de 50kOhm (todavía no hay una gran capacitancia).

Convertidor de precisión V a I

Vaya al documento de diseño ti.com/lit/ug/slau507/slau507.pdf y lea el párrafo 2.5, luego investigue un poco. Es muy posible que sus componentes simplemente no sean lo suficientemente rápidos y tendrá una estabilidad de bucle inaceptable con el ancho de banda deseado.
¿Necesita tener una carga conectada a tierra para la fuente de corriente? Necesitas que sea bipolar? (Corriente en ambas direcciones). ¿Solo ve las oscilaciones cuando maneja la gran capacitancia? ¿O siempre? Creo que cuando haces un amplificador compuesto quieres que el segundo amplificador sea más rápido que el primero.

Respuestas (1)

Para cumplir con los criterios de un oscilador, debe tener una retroalimentación positiva con una ganancia de uno o más. Su amplificador operacional, tal como está configurado, actuará como un integrador en frecuencias más altas, por lo que tiene un cambio de fase de 90 grados (además de los 180 grados de la retroalimentación negativa) y con la mayor ganancia del amplificador de instrumentos en el extremo superior, ha cumplido el criterio de oscilación. El circuito TI original se basa en la caída de la respuesta del amplificador de instrumentación (que proporciona una ganancia más baja a una frecuencia más alta) para mantenerse alejado de esta condición. Si volvieras al amplificador de instrumentación original con su red roll-off R2C2, tu circuito probablemente sería estable pero con la respuesta de frecuencia más baja de 1 Khz.

También puede considerar que, debido a que I = c dv/dt, sus 50 uA en una carga de 10 uF solo proporcionarán una velocidad de cambio de voltaje de salida de 5 voltios por segundo. A 1 Mhz o incluso a 100 Khz, cualquier cambio en la corriente cargará principalmente el capacitor grande a esta velocidad muy lenta, por lo que la respuesta de voltaje a 1 Mhz será de unos pocos microvoltios.

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