Como manter um amplificador operacional descompensado na região linear?

fundo

Para aplicativos de transimpedância, você deseja manter os amplificadores operacionais na região linear e evitar a saturação do amplificador operacional e a recuperação de overdrive.

Isso pode ser feito com um circuito automático simples de controle de ganho ao usar um amplificador operacional estável de ganho unitário, por exemplo

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Quando o diodo liga, a resposta do circuito fechado mantém a mesma largura de banda, mas sua magnitude diminui. O fator de feedback de alta frequência Cfeedback / (Cfeedback + Cin) se aproxima de 1, mas não é um problema, porque o amplificador operacional é o ganho de unidade estável. Eu implementei isso com um OPA656 e funciona bem.

Isso não funcionará com um amplificador descompensado. Oscilará quando houver muito feedback de alta frequência. Eu já vi isso com o OPA846.

Questão

Como você mantém um amplificador descompensado em sua região linear em uma aplicação de transimpedância?

Tentei simular o circuito abaixo, com a esperança de que a troca da capacitância de entrada extra diminuísse o feedback de alta frequência, mas os resultados são ruins.

^{simule este circuito}

Os valores dos componentes nos esquemas não são o que estou usando no meu circuito atual. São valores redondos para simplificar a discussão do circuito, por exemplo, o fator de feedback de alta frequência do primeiro circuito quando o diodo está desligado é 1/101. Meus valores reais de componentes são ajustados para a velocidade máxima, próximo ao limite da estabilidade, que não são exatamente conhecidos devido a parasitas no tabuleiro, e seriam uma distração para a pergunta.

Se o seu amplificador se comportar bem em baixos níveis de corrente com o OPA846, e o problema ocorrer apenas em níveis altos, acredito que você teria três possibilidades:

1) Reduza R1 para obter menos ganho de transimpedância: haverá mais alcance para a corrente, mas você perderá a resolução (amplificação).

2) Ajustando o circuito de limitação de ganho (R2, C2, D1 do primeiro esquema da sua pergunta): Se esse circuito funcionar bem com o OPA656, talvez você também possa fazê-lo funcionar com o OPA846. Tente alterar o R2, para que o ramo de controle de ganho não torne o circuito instável.

3) Adicione mais compensação ao circuito alterando C1 ou aumentando C3. Tenho a impressão de que, se o circuito funcionar bem com o OPA656, mas tiver problemas com o OPA846, poderá ser um problema de compensação.

Até onde eu sei, pode ser difícil pensar em um circuito limitador de corrente para o fotodiodo, pois as amplitudes de tensão envolvidas geralmente são muito baixas.

O segundo provavelmente teria funcionado se o primeiro trimestre fosse um MOSFET. Ambos introduzem não linearidade substancial perto do limite. Aqui está uma alternativa.

Algo assim:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Onde R3 / R4 (histerese) e R6 (carregamento) precisam ser escolhidos para evitar oscilações entre os modos de alto e baixo ganho quando perto do limite.

Você provavelmente precisará ajustar a maneira como os animais são acionados (a corrente do portão é amplificada D :).

Observações gerais

Todos os OPAMPs têm um ganho mínimo de malha fechada.

Os OPAMPs são compensados ​​para garantir uma margem de fase mínima no ganho mínimo especificado (geralmente 0,1).

Se você deseja alta velocidade e estabilidade com um OPAMP descompensado e tem baixo ganho, precisa compensar-se.

No que diz respeito à linearidade: o feedback está garantindo a linearidade, não tanto a linearidade do próprio loop aberto do opamp.

Observações específicas

O problema ocorre devido ao AGC - com alto ganho, tudo está ok, mas com baixo ganho, não está. Portanto, você precisa garantir que ainda tenha alto ganho do ponto de vista da AOP ou compensar o opamp nesses casos.

1. Você pode tentar diminuir o seu nível de entrada em vez de diminuir o ganho.
2. Você pode tentar adicionar compensação ao reduzir o ganho.

No seu esquema com Q1, observe que Q1 normalmente não seria conduzido, pois a tensão de saída é normalmente maior que a tensão de entrada. Mas quando devido à oscilação, a tensão de saída fica mais baixa que a entrada, o feedback realmente fica mais alto porque você está compensando a corrente de entrada - isso é feedback! Então você está diminuindo o ganho e trazendo o OPAMP para a região instável.

Sugestões

Para diminuir a entrada, você pode adicionar um diodo normal no modo de avanço. Realiza pouco quando o receptor tem uma saída baixa e mais quando a saída do receptor é alta - portanto, agindo como um AGC. Serão necessárias algumas simulações e seleção de diodos para encontrar o melhor. Isso não é feedback do OPAMP, portanto não afeta seu ganho de malha fechada.

Outro problema com o seu método usando Q1 é que a análise de pequenos sinais se aplica a tudo. Eu acho que você deve ter um circuito retificador para obter um feedback médio. Se o feedback do AGC for uma corrente de baixa frequência, ele não aumentará mais o feedback de alta frequência do que as frequências mais baixas.

Para manter seu feedback de alta frequência baixo, você deve bloquear o caminho de feedback mais alto para altas frequências. Você pode adicionar uma indutância em série do caminho de feedback, ou provavelmente adicionar um capacitor de desvio para aterrar no seu caminho de feedback.

Adicionar compensação para altas frequências apenas quando o ganho é baixo, parece mais difícil. Um capacitor variável de tensão pode ajudar a tornar um filtro RC adaptável ao nível do sinal, mas parece mais difícil de ajustar.

Espero que esses pensamentos o ajudem.