Begrenzung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers, um Sättigung zu vermeiden

Sie haben ein paar Probleme mit Ihrer Schaltung. Erstens ist LTC6268-10 ein 5-V-Teil. Sie können nicht gehen und es mit +/- 5 V füttern! Bei +/-2,5 V funktioniert die Schaltung eher wie angekündigt.

Zweitens schwingt Ihre Diodenschaltung, weil die Rückkopplung des Operationsverstärkers aus dem Gleichgewicht gerät. Sehr wissenschaftlich, ich weiß, aber ohne sich die Mühe zu machen, die harte Mathematik zu machen, können Sie dies beheben, indem Sie dem Lichtsensor einen Vorwiderstand hinzufügen, der dem TC Ihres Bypass-Widerstands entspricht. Sie benötigen auch einen Vorwiderstand an der Diode. Verwenden wir dafür 100R.

Für den Lichtsensor-Vorwiderstand 1k + 1p entspricht etwa 12p und 82R. Wenn wir ein bisschen experimentieren, werden wir feststellen, dass 22R schneller reagiert, aber mehr klingelt und 1k instabil ist.

3. Sie haben jetzt eine Spannungsbegrenzungsschaltung, herzlichen Glückwunsch! Leider ist MMSD4148 keine schnelle Erholungsdiode, es dauert verspätete 5 ns, um abzuschalten. Das ist nicht gut für 10ns-Pulse!

Lassen Sie uns es durch ein viel vernünftigeres Vishay BAS70E6327 mit 100ps Trr ersetzen.

4., yay, jetzt haben wir eine Spannungsklemmung, die ziemlich vernünftig funktioniert. Allerdings ... es ist nicht genau ausbalanciert. Wenn Sie nach unten gehen, zieht diese Diode + 100R-Widerstand den Ausgang viel schneller nach unten, als 1k den 12pF-Kondensator in die andere Richtung laden kann. Um die Verletzung noch schlimmer zu machen, klemmt 100R die Spannung ziemlich nahe an Vf, sodass wir einen schönen scharfen Übergang in eine Richtung und einen RC-Abfall in der anderen sehen.

Wir können dies schöner aussehen lassen, indem wir den Vorwiderstand auf 330R ändern, aber es lässt es meistens besser aussehen, da jetzt die Spannungsklatsche auf einer höheren Spannung liegt und das Klingeln eliminiert wird, aber es tut eigentlich nichts, um auf Null zurückzukehren.

Dieser Abfall wird durch die parasitäre ~2pF-Kapazität dieser Diode verursacht. Im Grunde möchten Sie also eine ultraschnelle Erholung, einen ultraniedrigen Rückstrom und eine ultrakleine Kapazität. Tun wir das nicht alle.

Ihr grundlegendes Problem hier im Allgemeinen ist, dass Ihr Messbereich ziemlich unvernünftig ist. Andererseits möchten Sie ein 1uA / 1mV-Signal messen (wie?) Und dann kommen Sie zurück und möchten auch ein 1mA / 1V-Signal mit derselben Schaltung verarbeiten! Sie erhalten dieses Tail-off von der RC-Verzögerung, das die Dinge immer mehr abrundet, je stärker das Signal ist. Bei 1 mA sind es +14 ns, um 1 mV zu überschreiten. Bei 100 uA sind es 11 ns. bei 10uA sind es etwa 8ns. Bei 1 uA haben Sie das gegenteilige Problem, da das Signal 1 mV nicht erreicht, sondern unendlich näher kommt.

Für jede Art von Wiedergabetreue ist also definitiv eine andere Art von Schaltung oder ein begrenzterer Signalbereich oder längere Impulse erforderlich. Es wäre auch hilfreich, die Stabilitätsanalyse der Rückkopplungsschleife ordnungsgemäß durchzuführen, da sie hier offensichtlich marginal ist. Ich denke, die Verwendung eines 500-MHz-Verstärkers mit hoher Anstiegsrate würde besser funktionieren als ein 4-GHz-Verstärker. Sie können die gleiche Anstiegsrate von 3 kV / us von 300-500-MHz-Teilen erhalten und sie sind viel stabiler. Es wäre auch hilfreich, wenn Sie diese perfekte Diode finden könnten, aber ich überlasse es Ihnen als Übung, ich habe bereits Ewigkeiten damit verbracht.

Hier ist die modifizierte Schaltung.

Zunächst könnten Sie versuchen, die Dioden durch BJTs mit quadratischer Vorrichtung zu ersetzen. Wie im Bild erwähnt, verbessert sich die Stabilität.

Anstatt das Rad neu zu erfinden, kann es hilfreich sein, den Leitfaden von TI zu logarithmischen Verstärkern zu lesen . Insbesondere Abbildung 1 mit I_in als Eingangsstrom.

Um das PDF etwas mehr zu zitieren ... "Dies bestätigt, dass die Ausgangsspannung der Schaltung logarithmisch mit dem Eingang der Schaltung zusammenhängt."