¿Cómo mantener el amplificador óptico descompensado en la región lineal?

Question

Antecedentes

Para las aplicaciones de transimpedancia, se desea mantener los op amps en su región lineal y evitar la saturación de los op amps y la recuperación de la sobrecarga.

Esto se puede hacer con un simple circuito de control de ganancia automático cuando se utiliza un amplificador de operación estable de ganancia unitaria, por ejemplo.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Cuando el diodo se enciende, la respuesta del 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 óptico es estable en ganancia unitaria. 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 tratado de simular el circuito de abajo, con la esperanza de que la conmutación en la capacitancia de entrada extra disminuiría la retroalimentación de alta frecuencia, pero los resultados son pobres.

simular este circuito

Los valores de los componentes en los esquemas no son los que estoy utilizando 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. Los valores reales de mis componentes están ajustados para la máxima velocidad, cerca del límite de la estabilidad, no se conocen exactamente debido a las parásitas de la placa, y distraerían la atención de la pregunta.

Answer 1

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

1) Reduce R1 para tener menos ganancia de transimpedancia: Habrá más rango para la corriente, pero perderás resolución (amplificación).

2) Afinar el circuito limitador de ganancia (R2, C2, D1 del primer esquema de tu pregunta): Si este circuito funciona bien con el OPA656, quizás puedas hacerlo funcionar también con el OPA846. Prueba a cambiar R2, para que la rama de control de ganancia no haga inestable el circuito.

3) Añade 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, entonces podría ser un problema de compensación.

Por lo que sé, puede ser difícil pensar en un circuito limitador de corriente para el fotodiodo, ya que las amplitudes de tensión implicadas suelen ser muy bajas.

Answer 2

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

Algo así:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

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

Probablemente tendrás que ajustar la forma de accionar los fets (la corriente de la puerta se amplifica D:).

Answer 3

Observaciones generales

Todos los OPAMPs tienen una ganancia mínima de bucle cerrado.

Los OPAMPs se compensan para garantizar un margen de fase mínimo en su ganancia mínima especificada (normalmente 0,1).

Si quieres tanto la alta velocidad como la estabilidad con un OPAMP no compensado y tienes poca ganancia, entonces tienes que compensar tú mismo.

Con respecto a la linealidad: la retroalimentación está asegurando la linealidad, no tanto la linealidad del bucle abierto del amplificador en sí.

Observaciones específicas

El problema ocurre por el AGC - con alta ganancia todo está bien, pero con baja ganancia, no. Así que tienes que asegurarte de que sigues teniendo una ganancia alta desde el punto de vista del AOP, o tienes que compensar el amplificador óptico en estos casos.

1. Podrías intentar disminuir el nivel de entrada en lugar de disminuir la ganancia.
2. Podrías intentar añadir una compensación al reducir la ganancia.

En tu esquema con Q1, observo que Q1 no conduciría normalmente ya que la tensión de salida es normalmente mayor que la tensión de entrada. Pero cuando debido a la oscilación, el voltaje de salida es menor que el de entrada, la retroalimentación en realidad es mayor porque estás compensando la corriente de entrada - ¡eso es retroalimentación! Así que estás bajando la ganancia y llevando al OPAMP a la región inestable.

Sugerencias

Para bajar la entrada, podrías añadir un diodo normal en modo forward. Conducirá poco cuando el receptor tenga una salida baja, y más cuando la salida del receptor sea alta, actuando así como un AGC. Necesitará algo de simulación y selección de diodos para encontrar el óptimo. Esto no es una retroalimentación del OPAMP, por lo que no afecta a su ganancia de bucle cerrado.

Otro problema con tu método usando Q1 es que el análisis de señales pequeñas se aplica a todo. Creo que deberías tener un circuito rectificador para tener una retroalimentación media. Si la retroalimentación del AGC es una corriente de baja frecuencia, no está aumentando su retroalimentación de alta frecuencia más que las frecuencias más bajas.

Para mantener la retroalimentación de alta frecuencia baja, debe bloquear la ruta de retroalimentación más alta para las altas frecuencias. Podrías añadir una inductancia en serie de la ruta de retroalimentación, o probablemente añadir un condensador de bypass a tierra en tu ruta de retroalimentación.

Añadir una compensación para las frecuencias altas sólo cuando la ganancia es baja, parece más difícil. Un condensador de tensión variable podría ayudar a que un filtro RC se adapte al nivel de la señal, pero parece más difícil de afinar.

Espero que estos pensamientos te ayuden.