Oscilaciones en el diseño de convertidores de precisión de tensión a corriente

Question

Estoy tratando de rediseñar el TI Precision Design - Convertidor V-I de bajo nivel (5uA) . Mis objetivos de diseño son:

• Aumentar el ancho de banda de alrededor de 1kHz a 100kHz (idealmente 1MHz en el futuro)
• Aumenta el rango de salida de 0-5uA a 0-50uA

Para aumentar el rango de salida simplemente disminuí Rset por un factor de 10 hasta 10kOhm. Para aumentar el ancho de banda tuve que seleccionar un nuevo amplificador operacional y un amplificador de instrumentación; al seleccionar estos amplificadores prioricé GBWP > voltaje de offset de entrada > deriva de offset. La razón de esto es que la nota de aplicación de TI dice que las especificaciones clave de diseño para los amplificadores son el voltaje de offset y la deriva, pero con mi objetivo de aumentar el ancho de banda moví GBWP a la parte superior.

Me decidí a sustituir el OPA333 por el OPA277 y el INA326 por el INA118. Nota, cambié de alimentación simple a +/- 15V, esto fue necesario para encontrar amplificadores con el ancho de banda que quería. Mi esquema de toda la configuración rediseñada está al final de este post.

Estaba teniendo problemas para simular con varias herramientas SPICE (no podía conseguir que los modelos de TI funcionaran en OrCad PSPICE y el TINA de TI se me congelaba) así que hice un giro rápido de PCB con el circuito después de conseguir algunas simulaciones vagamente similares. Lo que encontré en el laboratorio es que mi circuito oscila en torno a 25kHz y es simplemente inutilizable. Estoy seguro de que es mi red de compensación, ya que no cambié ninguno de los valores del diseño de TI por lo que tiene perfecto sentido que mi ancho de banda no es mi deseado 100kHz. Me cuesta entender cómo se eligen los valores de la red de compensación y cómo puedo diseñar algo que sea estable. ¿Puede alguien indicarme la dirección correcta u ofrecerme algún consejo?

Debo señalar que intentaré conducir esta corriente a una carga capacitiva (aproximadamente 10uF después de varios pies de cableado). Para el primer nivel de pruebas en el banco estaba tratando de conducir la corriente a una carga de 50kOhm (sin gran capacitancia todavía).

Answer 1

Para cumplir con los criterios de un oscilador, necesita tener una retroalimentación positiva con una ganancia de uno o más. Tu amplificador de operación, tal como está configurado, actuará como un integrador a frecuencias más altas, por lo que tienes un desplazamiento de fase de 90 grados (además de los 180 grados de la retroalimentación negativa) y con la mayor ganancia del amplificador de instrumentación en el extremo superior, has cumplido el criterio de oscilación. El circuito original de TI se basa en el roll-off de la respuesta del amplificador de instrumentación (proporcionando una ganancia más baja en la frecuencia más alta) para mantenerse alejado de esta condición. Si volvieras al amplificador de instrumentación original con su red de roll-off R2C2, tu circuito probablemente sería estable pero con la respuesta de frecuencia más baja, de 1 Khz.

También puede considerar que, dado que I = c dv/dt, sus 50 uA en una carga de 10 uF sólo proporcionarán una velocidad de giro de la tensión de salida de 5 voltios por segundo. A 1 Mhz o incluso a 100 Khz, cualquier cambio en la corriente será principalmente la carga del gran condensador a este ritmo tan lento, por lo que la respuesta de la tensión a 1 Mhz será de unos pocos microvoltios.