¿Cómo evitar que el amplificador operacional se sature?

¿Cómo se puede evitar que un amplificador operacional se sature si la retroalimentación se desconecta intermitentemente?

Por ejemplo, en este circuito (caso simplificado de un problema de la vida real), el amplificador operacional actúa como una fuente de corriente para una carga, pero la carga puede desconectarse a veces.

Cuando se desconecta la carga, la salida del amplificador operacional va al riel positivo y el amplificador operacional se satura. Cuando se vuelve a conectar la carga, el amplificador operacional tarda más tiempo en comenzar a regular la corriente) y luego se desplaza al punto de ajuste de corriente esperado. Dependiendo del amplificador operacional, el tiempo para recuperarse de la saturación puede ser muy largo. La corriente a través de la carga es la máxima posible para ese tiempo (ouch).

¿Cómo se puede evitar la saturación en este caso? ¿Hay algunos componentes adicionales para una red de retroalimentación que lo hagan? ¿Quizás algún tipo de circuito de recorte de entrada o salida? ¿Hay amplificadores operacionales que limitarían inherentemente a sus salidas (o entradas) algo de voltaje lejos de los rieles utilizando circuitos integrados?

Un diodo zener conectado desde la salida del amplificador operacional a la entrada inversora (posiblemente con un diodo estándar en serie) y NO conmutado por S1 más una resistencia de Vsense a la entrada inversora limitará Vout + excursión. Si se trata de un suministro doble, los zeners consecutivos harán lo mismo simétricamente.

Cuando Vout se acerca a Vzener se proporciona retroalimentación negativa. La resistencia de OA a Vsense debe ser lo suficientemente grande como para que el zener domine con un efecto mínimo de Rsense.
Un 1K debería estar bien, pero algo así como 100 x Rsense para valores bajos de Rsense debería ser un compromiso correcto. La fuga de Zener a bajas desviaciones de salida debe ser "baja". Una solución más elegante que implemente el mismo principio con circuitos más complejos produciría un efecto realmente mínimo cuando la carga esté conectada.

Adicional:

¡El centro no puede aguantar! * Sabía que debería haber agregado el extra :-). Pensé en comentar sobre la respuesta de frecuencia, pero no lo hice. Como ha señalado WhatRoughBeast, los zeners tienen una capacidad que puede ser necesaria, aunque en la mayoría de los casos el efecto es probablemente mínimo. Por ejemplo, con decir Risol = 1k y si Czeners = 1 nF, entonces la constante de tiempo es t = RC = 1000 x 10 ^ -9 = 1 uS. Con 100 R es 0.1 us. Si esto importa o importa mucho depende de la aplicación.

La capacitancia de Zener varía con el modelo (al menos), el voltaje aplicado (hacia adelante o hacia atrás), la temperatura y la frecuencia. Los valores reales pueden variar ampliamente, pero 1 nF parece una buena regla general para comenzar. Versiones de baja capacitancia están disponibles.

El efecto del zener con polarización directa en serie con el zener con polarización inversa en voltajes << Vzener se deja como un ejercicio para el estudiante.

Esta nota de aplicación de RENESAS de 69 páginas proporciona una excelente visión general de las características de diodos zener. Las páginas 29-31 proporcionan información sobre aspectos de capacitancia zener, con numerosos gráficos que muestran ejemplos de voltaje versus capacitancia.

Serie:
.............. Capacitancia a 0.1 V
HZS-LL .... 1-10 pF
HZS-L ..... 10-40 pF
HZS ...... 30-200 pF HZ ......... 30-200 pF

PERO esta antigua nota de aplicación ONSEMI TVS / Zener Theory and Design Considerations indica valores en el rango de 1 a 10 nF en algunos casos. La capacitancia comienza en la página 34.

Estos zeners son de menor capacitancia que muchos a 150 pF típicos a 0V a 1 MHz. La capacitancia cae al aumentar el voltaje inverso.

Aquí hay algunos Zener de ROHM diseñados específicamente para ser de baja capacitancia.

La única forma de evitar que el OpAmp se sature es proporcionar un circuito de retroalimentación interno.

Esto podría hacerse cambiando el interruptor de un tipo SPST a uno DPST y agregando una resistencia de retroalimentación local Rfb.

Cuando SW1 y SW2 están abiertos, Rfb proporcionará retroalimentación. El valor de Rfb sería mucho mayor que el de RLoad, de modo que con los interruptores cerrados, RLoad y Rsense dominarían. Por ejemplo, si RLoad fuera 1k Ohm, Rfb podría ser 100k Ohm.

Usted sabe cuándo S1 está activado y cuándo está desactivado (o abierto). Cree una señal S1b (inversa de S1) y utilícela en la siguiente situación:

Su opamp es diferencial (y está proporcionando un diagrama simple) o diferencial a un solo extremo. En cualquier caso, puede acortar el

1 - salidas diferenciales en un amplificador diferencial 2 - la salida de un solo extremo al nodo interno en la rama diferencial.

Por supuesto, esto mata la ganancia, pero todo está sesgado correctamente y el amplificador no se satura.

Hacemos esto todo el tiempo en nuestros circuitos. Es simple y funciona.

La solución más fácil sería poner en paralelo la carga con algún tipo de red no lineal, como dos diodos Zener de serie, dos LED consecutivos o dos diodos. Por supuesto, la fuga tomaría corriente de la carga, por lo que puede o no producir un rendimiento aceptable.

Los amplificadores operacionales que limitan están disponibles, pero no son tan comunes. También puede encontrar un amplificador operacional convencional con un tiempo de recuperación corto.

Debe examinar por qué está desconectando el opamp de su carga de tal manera. Si desea apagar la corriente, sería mejor conducir la entrada positiva a 0.

¿Qué estás tratando de lograr en general? ¿Por qué crees que tienes que romper la conexión entre la carga y la salida del opamp? Retroceda dos niveles y explique lo que realmente está sucediendo.