Come mantenere un amplificatore operazionale scompensato nella regione lineare?

sfondo

Per le applicazioni di transimpedenza, si desidera mantenere gli amplificatori operazionali nella loro regione lineare ed evitare la saturazione dell'amplificatore operazionale e il recupero dell'overdrive.

Questo può essere fatto con un semplice circuito di controllo automatico del guadagno quando si utilizza un amplificatore operazionale stabile con guadagno unitario, ad es

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Quando il diodo si accende, la risposta ad anello chiuso mantiene la stessa larghezza di banda, ma la sua ampiezza viene ridotta. Il fattore di feedback ad alta frequenza Cfeedback / (Cfeedback + Cin) si avvicina a 1, ma non è un problema perché l'amplificatore operazionale è stabile in guadagno unitario. L'ho implementato con un OPA656 e funziona bene.

Questo non funzionerà con un amplificatore scompensato. Oscillerà quando c'è troppa retroazione ad alta frequenza. L'ho visto con l'OPA846.

Domanda

Come si mantiene un amplificatore scompensato nella sua regione lineare in un'applicazione di transimpedenza?

Ho provato a simulare il circuito di seguito, con la speranza che il passaggio ad una capacità di ingresso aggiuntiva ridurrebbe il feedback ad alta frequenza, ma i risultati sono scarsi.

^{simula questo circuito}

I valori dei componenti negli schemi non sono quelli che sto usando nel mio circuito reale. Sono valori rotondi per semplificare la discussione del circuito, ad esempio il fattore di feedback ad alta frequenza del primo circuito quando il diodo è spento è 1/101. I miei valori dei componenti effettivi sono regolati per la massima velocità, vicino al limite della stabilità, non esattamente noto a causa dei parassiti della scheda e distrarrebbe dalla domanda.

Se il tuo amplificatore si comporta bene a bassi livelli di corrente con OPA846 e il problema si verifica solo ad alti livelli, allora credo che avresti tre possibilità:

1) Ridurre R1 in modo da avere un guadagno di transimpedenza inferiore: ci sarà più intervallo per la corrente, ma si perderà la risoluzione (amplificazione).

2) Ottimizzazione del circuito di limitazione del guadagno (R2, C2, D1 dal primo schema nella tua domanda): Se questo circuito funziona bene con OPA656, forse puoi anche farlo funzionare con OPA846. Prova a cambiare R2, in modo che il ramo di controllo del guadagno non renda instabile il circuito.

3) Aggiungi più compensazione al circuito cambiando C1 o aumentando C3. Ho l'impressione che se il circuito funziona correttamente con OPA656, ma ha problemi con OPA846, potrebbe essere un problema di compensazione.

Per quanto ne so, può essere difficile pensare a un circuito limitatore di corrente per il fotodiodo poiché le ampiezze di tensione coinvolte sono generalmente molto basse.

Il secondo probabilmente avrebbe funzionato se Q1 fosse invece un MOSFET. Entrambi introducono sostanziale non linearità vicino alla soglia. Ecco un'alternativa.

Qualcosa come questo:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Dove R3 / R4 (isteresi) e R6 (caricamento) devono essere scelti per evitare oscillazioni tra la modalità high-gain e low-gain quando vicino alla soglia.

Probabilmente dovrai regolare il modo in cui sono guidati i fets (la corrente di gate viene amplificata D :).

Osservazioni generali

Tutti gli OPAMP hanno un guadagno ad anello chiuso minimo.

Gli OPAMP sono compensati per garantire un margine di fase minimo al guadagno minimo specificato (generalmente 0,1).

Se vuoi sia l'alta velocità che la stabilità con un OPAMP non compensato e hai un guadagno basso, allora devi compensarti.

Per quanto riguarda la linearità: il feedback sta assicurando la linearità, non tanto la linearità del circuito aperto dell'opamp stesso.

Osservazioni specifiche

Il problema si verifica a causa dell'AGC: con un alto guadagno tutto è ok, ma con un basso guadagno non lo è. Quindi devi assicurarti di avere ancora un alto guadagno dal punto di vista dell'AOP, o in questi casi devi compensare l'opamp.

1. Potresti provare a ridurre il livello di input piuttosto che a diminuire il guadagno.
2. Potresti provare ad aggiungere una compensazione quando riduci il guadagno.

Nel tuo schema con Q1, noto che Q1 normalmente non conduce in quanto la tensione di uscita è normalmente superiore alla tensione di ingresso. Ma a causa dell'oscillazione, la tensione di uscita diventa più bassa dell'ingresso, il feedback diventa effettivamente più alto perché stai compensando la corrente di ingresso - questo è feedback! Quindi stai abbassando il guadagno e portando OPAMP nella regione instabile.

suggerimenti

Per ridurre l'ingresso, è possibile aggiungere un diodo normale in modalità avanti. Condurrà poco quando il ricevitore ha un'uscita bassa, e di più quando l'uscita del ricevitore è alta, agendo quindi come un AGC. Avrà bisogno di alcune simulazioni e di selezione dei diodi per trovare l'ottimale. Questo non è un feedback dall'OPAMP quindi non influisce sul suo guadagno ad anello chiuso.

Un altro problema con il tuo metodo usando Q1 è che l'analisi del segnale piccolo si applica a tutto. Penso che dovresti avere un circuito di rettifica per avere un feedback medio. Se il feedback AGC è una corrente a bassa frequenza, non sta aumentando il feedback ad alta frequenza più delle frequenze più basse.

Per mantenere basso il feedback in alta frequenza, è necessario bloccare il percorso di feedback più elevato per le alte frequenze. È possibile aggiungere un'induttanza in serie del percorso di feedback o probabilmente aggiungere un condensatore di bypass a massa nel percorso di feedback.

L'aggiunta della compensazione per le alte frequenze solo quando il guadagno è basso, sembra più difficile. Un condensatore variabile di tensione potrebbe aiutare a rendere un filtro RC adattivo al livello del segnale, ma sembra più difficile da sintonizzare.

Spero che questi pensieri ti possano aiutare.