¿Cómo mantener el amplificador operacional descompensado en una región lineal?

Antecedentes

Para aplicaciones de transimpedancia, desea mantener los amplificadores operacionales en su región lineal y evitar la saturación del amplificador operacional y la recuperación de sobremarcha.

Esto se puede hacer con un circuito de control de ganancia automático simple cuando se usa un amplificador operacional estable de ganancia unitaria, por ejemplo

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Cuando el diodo se enciende, la respuesta de bucle cerrado mantiene el mismo ancho de banda, pero su magnitud disminuye. El factor de retroalimentación de alta frecuencia Cfeedback / (Cfeedback + Cin) se acerca a 1, pero no es un problema porque el amplificador operacional es una ganancia de unidad estable. He implementado esto con un OPA656, y funciona bien.

Esto no funcionará con un amplificador descompensado. Oscilará cuando haya demasiada retroalimentación de alta frecuencia. He visto esto con el OPA846.

Pregunta

¿Cómo se mantiene un amplificador descompensado en su región lineal en una aplicación de transimpedancia?

He intentado simular el circuito a continuación, con la esperanza de que la conmutación de capacitancia de entrada adicional disminuya la retroalimentación de alta frecuencia, pero los resultados son pobres.

^{simular este circuito}

Los valores de los componentes en los esquemas no son lo que estoy usando en mi circuito real. Son valores redondos para simplificar la discusión del circuito, por ejemplo, el factor de retroalimentación de alta frecuencia del primer circuito cuando el diodo está apagado es 1/101. Mis valores de componentes reales están ajustados para la velocidad máxima, cerca del borde de la estabilidad, no se conocen exactamente debido a los parásitos de la placa, y estarían distrayendo la pregunta.

Si su amplificador se comporta bien a niveles bajos de corriente con el OPA846, y el problema ocurre solo a niveles altos, entonces creo que tendría tres posibilidades:

1) Reduzca R1 para que tenga menos ganancia de transimpedancia: habrá más rango para la corriente, pero perderá la resolución (amplificación).

2) Ajuste del circuito de limitación de ganancia (R2, C2, D1 desde el primer esquema en su pregunta): si este circuito funciona bien con el OPA656, quizás también pueda hacerlo funcionar con el OPA846. Intente cambiar R2, de modo que la rama de control de ganancia no haga que el circuito sea inestable.

3) Agregue más compensación al circuito cambiando C1 o aumentando C3. Tengo la impresión de que si el circuito funciona bien con el OPA656, pero tiene problemas con el OPA846, podría ser un problema de compensación.

Hasta donde sé, puede ser difícil pensar en un circuito limitador de corriente para el fotodiodo, ya que las amplitudes de voltaje involucradas generalmente son muy bajas.

El segundo probablemente habría funcionado si Q1 fuera un MOSFET. Ambos introducen una no linealidad sustancial cerca del umbral. Aquí hay una alternativa.

Algo como esto:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Donde R3 / R4 (histéresis) y R6 (carga) deben elegirse para evitar oscilar entre el modo de ganancia alta y baja cuando está cerca del umbral.

Probablemente necesite ajustar la forma en que se manejan los pies (la corriente de la puerta se amplifica D :).

Observaciones generales

Todos los OPAMP tienen una ganancia mínima de circuito cerrado.

Los OPAMP se compensan para garantizar un margen de fase mínimo en su ganancia mínima especificada (generalmente 0.1).

Si desea tanto la alta velocidad como la estabilidad con un OPAMP sin compensación y tiene baja ganancia, entonces debe compensarse.

Con respecto a la linealidad: la retroalimentación garantiza la linealidad, no tanto la linealidad del bucle abierto del opamp en sí.

Observaciones especificas

El problema se produce debido al AGC: con alta ganancia, todo está bien, pero con baja ganancia, no lo está. Por lo tanto, debe asegurarse de que todavía tiene una alta ganancia desde el punto de vista del AOP, o necesita compensar el opamp en estos casos.

1. Podría intentar disminuir su nivel de entrada en lugar de disminuir la ganancia.
2. Podría intentar agregar una compensación al reducir la ganancia.

En su esquema con Q1, noto que Q1 normalmente no se comportaría ya que el voltaje de salida es normalmente más alto que el voltaje de entrada. Pero cuando debido a la oscilación, el voltaje de salida es más bajo que la entrada, la retroalimentación en realidad aumenta porque estás compensando la corriente de entrada, ¡eso es retroalimentación! Entonces está bajando la ganancia y colocando el OPAMP en la región inestable.

Sugerencias

Para bajar la entrada, puede agregar un diodo normal en modo directo. Conducirá poco cuando el receptor tenga una salida baja, y más cuando la salida del receptor sea alta, por lo tanto, actúa como un AGC. Necesitará simulación y selección de diodos para encontrar el óptimo. Esto no es retroalimentación del OPAMP, por lo que no afecta su ganancia de circuito cerrado.

Otro problema con su método al usar Q1 es que el análisis de señal pequeña se aplica a todo. Creo que debería tener un circuito rectificador para tener una retroalimentación promedio. Si la retroalimentación AGC es una corriente de baja frecuencia, no aumentará su retroalimentación de alta frecuencia más que las frecuencias más bajas.

Para mantener baja la retroalimentación de alta frecuencia, debe bloquear la ruta de retroalimentación más alta para las frecuencias altas. Podría agregar una inductancia en serie de la ruta de retroalimentación, o probablemente agregar un condensador de derivación a tierra en su ruta de retroalimentación.

Agregar compensación para frecuencias altas solo cuando la ganancia es baja, parece más difícil. Un condensador variable de voltaje podría ayudar a que un filtro RC se adapte al nivel de señal, pero parece más difícil de ajustar.

Espero que estos pensamientos te ayuden.