Как сохранить декомпенсированный операционный усилитель в линейной области?

Фон

Для трансимпедансных приложений вы хотите сохранить операционные усилители в их линейной области и избежать насыщения операционного усилителя и восстановления с перегрузкой.

Это можно сделать с помощью простой схемы автоматической регулировки усиления, когда используется стабильный операционный усилитель с единичным усилением, например

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Когда диод включается, отклик замкнутого контура поддерживает ту же ширину полосы, но его величина уменьшается. Коэффициент высокочастотной обратной связи Cfeedback / (Cfeedback + Cin) приближается к 1, но это не проблема, поскольку операционный усилитель имеет стабильный коэффициент усиления. Я реализовал это с OPA656, и он работает хорошо.

Это не будет работать с декомпенсированным усилителем. Он будет колебаться, когда слишком много высокочастотной обратной связи. Я видел это с OPA846.

Вопрос

Как вы храните декомпенсированный усилитель в его линейной области в трансимпедансном приложении?

Я попытался смоделировать схему ниже, в надежде, что переключение на дополнительную входную емкость уменьшит высокочастотную обратную связь, но результаты плохие.

^{смоделировать эту схему}

Значения компонентов в схемах - это не то, что я использую в своей реальной схеме. Они являются округленными значениями, чтобы упростить обсуждение схемы, например, коэффициент высокочастотной обратной связи первой цепи, когда диод выключен, равен 1/101. Мои действительные значения компонентов настроены на максимальную скорость, близки к краю стабильности, точно не известны из-за паразитирования на плате и могут отвлекать от вопроса.

Если ваш усилитель работает нормально при низких уровнях тока с OPA846, и проблема возникает только при высоких уровнях, то я считаю, что у вас будет три возможности:

1) Уменьшите R1, чтобы получить меньшее усиление трансимпеданса: для тока будет больше диапазона, но вы потеряете разрешение (усиление).

2) Настройка схемы ограничения усиления (R2, C2, D1 из первой схемы в вашем вопросе): Если эта схема работает нормально с OPA656, возможно, вы также можете заставить ее работать с OPA846. Попробуйте изменить R2, чтобы ветвь управления усилением не делала схему нестабильной.

3) Добавьте больше компенсации в цепь, изменив C1 или увеличив C3. У меня сложилось впечатление, что если схема работает нормально с OPA656, но имеет проблемы с OPA846, то это может быть проблемой компенсации.

Насколько я знаю, сложно придумать схему ограничения тока для фотодиода, поскольку амплитуды напряжения обычно очень малы.

Второй, вероятно, сработал бы, если бы Q1 был вместо MOSFET. Оба вносят существенную нелинейность вблизи порога. Вот альтернатива.

Что-то вроде этого:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Где необходимо выбрать R3 / R4 (гистерезис) и R6 (нагрузка), чтобы избежать колебаний между режимами с высоким и низким усилением при приближении к порогу.

Вы, вероятно, должны будете отрегулировать способ управления фетами (ток затвора усиливается D :).

Общие замечания

Все OPAMP имеют минимальное усиление с обратной связью.

OPAMPs компенсируются, чтобы обеспечить минимальный запас по фазе при указанном минимальном усилении (обычно 0,1).

Если вам нужна высокая скорость и стабильность с некомпенсированным OPAMP и низкий коэффициент усиления, вы должны компенсировать себя.

Что касается линейности: обратная связь обеспечивает линейность, а не линейность самого разомкнутого контура операционного усилителя.

Конкретные наблюдения

Проблема возникает из-за AGC - с высоким усилением все в порядке, но с низким усилением это не так. Таким образом, вы должны убедиться, что у вас все еще высокий коэффициент усиления с точки зрения AOP, или вам необходимо компенсировать операционный усилитель в этих случаях.

1. Вы можете попытаться уменьшить свой уровень входного сигнала, а не уменьшать усиление.
2. Вы можете попытаться добавить компенсацию при уменьшении усиления.

В вашей схеме с Q1 я отмечаю, что Q1 обычно не будет работать, так как выходное напряжение обычно выше, чем входное напряжение. Но когда из-за колебаний выходное напряжение становится ниже, чем входное, обратная связь фактически становится выше, потому что вы компенсируете входной ток - это обратная связь! Таким образом, вы снижаете усиление и переносите OPAMP в нестабильный регион.

Предложения

Чтобы понизить вход, вы можете добавить обычный диод в прямом режиме. Он будет вести себя мало, когда у приемника низкий выходной сигнал, и больше, когда у него высокий выходной сигнал, поэтому он действует как AGC. Потребуется некоторое моделирование и выбор диода, чтобы найти оптимальный. Это не обратная связь от OPAMP, поэтому она не влияет на усиление в замкнутом контуре.

Другая проблема, связанная с вашим методом, использующим Q1, заключается в том, что анализ малых сигналов относится ко всему. Я думаю, что у вас должна быть выпрямительная схема, чтобы иметь среднюю обратную связь. Если обратная связь AGC является низкочастотным током, она не увеличивает вашу высокочастотную обратную связь больше, чем более низкие частоты.

Чтобы поддерживать низкую частоту обратной связи на низком уровне, вы должны заблокировать более высокий путь обратной связи для высоких частот. Вы можете добавить индуктивность в последовательную цепь обратной связи или, возможно, добавить обводной конденсатор к земле в вашей цепи обратной связи.

Добавление компенсации для высоких частот только при низком усилении кажется более сложным. Переменный конденсатор напряжения может помочь адаптировать RC-фильтр к уровню сигнала, но его настройка сложнее.

Я надеюсь, что эти мысли помогут вам.