¿Cómo evitar la saturación de los amplificadores operacionales?

Question

¿Cómo se puede evitar que un amplificador óptico entre en saturación si la realimentación se desconecta de forma intermitente?

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

Cuando se desconecta la carga, la salida del amplificador óptico pasa al carril positivo y el amplificador óptico entra en saturación. Cuando se vuelve a conectar la carga, el amplificador óptico tarda más tiempo en empezar a regular la corriente y luego se desplaza hasta el punto de ajuste de corriente previsto. Dependiendo del amplificador óptico, el tiempo de recuperación 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 algún componente adicional a una red de retroalimentación que lo haga? ¿Quizás algún tipo de circuito de recorte de entrada o salida? ¿Existen op-amps que limiten intrínsecamente sus salidas (o entradas) a una cierta tensión fuera de los raíles mediante un circuito incorporado?

Answer 1

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

Cuando Vout se acerca a Vzener se produce una retroalimentación negativa. La resistencia de OA- a Vsense debe ser lo suficientemente grande para que el zener domine con un efecto mínimo de Rsense.
Un 1K debería estar bien, pero algo como 100 x Rsense para valores bajos de Rsense debería ser un buen compromiso. Las fugas del Zener a bajas desviaciones de salida deberían ser "bajas". Una solución más elegante que implemente el mismo principio con una circuitería más compleja produciría un efecto realmente mínimo cuando la carga está conectada.

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Añadido:

¡El centro no puede aguantar! *Sabía que tenía que haber añadido el extra :-). Pensé en comentar lo de la respuesta en frecuencia pero no lo hice. Como WhatRoughBeast ha señalado, los zeners tienen capacitancia que puede ser necesario tener en cuenta, 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 = R = 1000 x 10^-9 = 1 uS. Con 100 R es 0,1 uS. Que esto importe o importe mucho depende de la aplicación.

La capacidad del Zener varía (al menos) con el modelo, la tensión aplicada (directa o inversa), la temperatura y la frecuencia. Los valores reales pueden variar mucho, pero 1 nF parece una buena regla general para empezar. Existen versiones de baja capacitancia.

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

Esta nota de aplicación de 69 páginas de RENESAS ofrece un excelente resumen de las características de los diodos zener. Las páginas 29-31 ofrecen información sobre los aspectos de la capacitancia del zener, con numerosos gráficos que muestran ejemplos de la tensión frente a la 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 de ONSEMI Teoría del TVS/Zener y consideraciones de diseño indica valores en el rango de 1 a 10 nF en algunos casos. La capacitancia comienza en la página 34.

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Estos zeners son de menor capacitancia que muchos a 150 pF típicos a 0V a 1 MHz. La capacitancia cae con el aumento de la tensión inversa.

Aquí hay algunos zeners de ROHM diseñado específicamente para ser de baja capacitancia.

Answer 2

La única manera de evitar que el OpAmp se sature es proporcionar un bucle de retroalimentación interna.

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

Cuando SW1 y SW2 están abiertos la retroalimentación sería proporcionada por Rfb. 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.

Answer 3

Sabe cuándo el S1 está encendido y cuándo está apagado (o abierto). Crea una señal S1b (inversa de S1), y úsala en la siguiente situación:

Tu amplificador es diferencial (y estás proporcionando un diagrama simple), o diferencial a simple. En cualquiera de los dos casos, puedes cortocircuitar 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 polarizado correctamente y el amplificador no se satura.

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

Answer 4

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

Existen op-amps que limitan, pero no son tan comunes. También puedes encontrar un op-amp convencional con un tiempo de recuperación corto.

Answer 5

Debería examinar por qué está desconectando el amplificador de potencia de su carga de esa manera. Si quieres desconectar la corriente, conducir la entrada positiva a 0 sería mejor.

¿Qué pretende conseguir en general? ¿Por qué crees que tienes que romper la conexión entre la carga y la salida del opamp? Retrocede dos niveles y explica lo que realmente está pasando.