Operationsverstärker, der eine LED antreibt, oszilliert, wie stabilisieren?

Ich habe eine einfache LED-Treiberschaltung wie folgt:

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Der Operationsverstärker ist ein OPA354 250-MHz, Rail-to-Rail I/O, CMOS-Operationsverstärker, der von einer einzigen +5-V-Schiene versorgt wird. Die LED ist ein Typ mit 100 mA, 1,4 V Durchlassspannung. Der Eingang ist ein 0,5-V-Impuls von einem Signalgenerator.

Was ich sehe, ist, dass alles mehr oder weniger wie erwartet funktioniert, der LED-Strom während eines Impulses beträgt etwa 50 mA, außer dass zu Beginn jedes Impulses eine deutliche Schwingung mit einer Periode von ~ 10 ns auftritt (etwa 5-10 Zyklen sind sichtbar ). Etwas beunruhigender ist, dass über jedem Impuls ein wenig zufälliges Rauschen liegt, vielleicht 50 mV Spitze zu Spitze, das kommt und geht.

Die LED hat eine anständig große Kapazität von einigen zehn pF. Ich habe viel über die Stabilisierung von Operationsverstärkern gelesen, die kapazitive Lasten antreiben, aber diese würden die kapazitive Last dort haben, wo R1 ist, nicht innerhalb der Rückkopplungsschleife.

Wie stabilisiere ich den Operationsverstärker und verhindere diese Art von Rauschen / Schwingungen?

Warum willst du so eine LED ansteuern? Was versuchst du zu erreichen?
Sie brauchen ein richtiges Feedback zu Ihrem OP-Verstärker. So wie es ist, haben Sie die Hälfte der Rückkopplungsschleife und das mit variablem Widerstand. Und gleichzeitig als Last. Das Seltsamste, was ich je gesehen habe.
Warum nicht die Schaltung in Abb. 30 des DS verwenden? Hast du Details zur LED?
@Andyaka Abbildung 30 welchen Datenblatts? Das Ziel / der Effekt dieser Schaltung scheint zu sein, Eingang / 10 Ampere durch die LED treiben zu lassen?
@vicatcu Wenn Sie sich die Frage ansehen, wird derzeit nur ein Teil erwähnt, und ich spreche eindeutig nicht von der LED. Das Ziel ist es, 50 mA und nicht 10 Ampere zu fahren.
Wie verhält sich die Schaltung, wenn Sie nur einen einfachen Spannungsfolger bauen? (der Operationsverstärker ist stabil mit Einheitsverstärkung)
@PkP Ich möchte einen kontrollierten Strom und so schnell wie möglich ein / aus. Diese Schaltung schaltet die LED in < 10 ns ein und aus, also erledigt sie zumindest diesen Teil.
@Maple Das habe ich mir schnell auf einem Steckbrett ausgedacht. Wenn Sie eine bessere Idee für einen LED-Pulser mit steuerbarem Strom haben, lassen Sie es mich wissen :)
@Andyaka Wow, das sieht wirklich nützlich aus, das ist mir nicht aufgefallen. Ich bin mir nicht ganz sicher, wie es funktioniert. Können Sie mir sagen, welche Vorteile das gegenüber dem von mir verwendeten Ansatz hat? Gelingt es beispielsweise, eine Sättigung zu vermeiden, wenn die LED aus ist?
@AlexI Sie haben bereits zwei vollkommen gute Antworten und einen Verweis auf das Datenblatt von Leuten, die viel besser informiert sind als ich. Meine Ideen sind an dieser Stelle strittig :)
@Andyaka Ich möchte melden, dass Abb. 30 des DS fehlerhaft ist. Es überwacht keinen Differenzstrom, sondern hat eine Hysterese von 9 % und bleibt die ganze Zeit eingeschaltet. Der Vin+ hat eine Hysterese und kann niemals im linearen Modus regeln oder überhaupt arbeiten. Mein Schaltplan wird jedoch funktionieren. Das erste fehlerhafte Beispiel in einem DS fand ich 1973 an der Univ für einen RCA-Treppengenerator .... Außerdem ist Abb. 31 auch nicht gut.
@ TonyEErocketscientist Interessant ... können Sie mir sagen, warum es fehlerhaft ist? Ich wollte es gerade aufs Brett legen :)
Ein symmetrischer Diff-Verstärker hat den Vin + R-Teiler auf Massebezug, nicht auf den Ausgang, wo er Hysterese und unzureichenden LED-Swing hat. Es ist auch die Stromrichtung R, die mit der Eingangsspannung verglichen wird, nicht der Abfall der Laserdiode. Aber vertrauen Sie mir nicht, versuchen Sie, den Unterschied zwischen meinem Design und ihrem fehlerhaften zu verstehen. Aber wenn Sie es vorziehen, Zeit zu sparen, vertrauen Sie mir.
Seien Sie sich bewusst, dass Steckplatinen eine Menge Streukapazität einführen können, was also auf einer Steckplatine funktioniert, funktioniert möglicherweise nicht auf einer Leiterplatte und umgekehrt.

Antworten (2)

Der Standardansatz in Ihrem Fall besteht darin, die Schaltung leicht zu ändern:

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Bauteilwerte kann ich dir leider nicht geben. Sie hängen vom Operationsverstärker UND R1 ab. Versuchen Sie zunächst 1 bis 5k und 100 pF, aber seien Sie bereit zu experimentieren. Wenn Sie sich einen Schaltungssimulator wie eine SPICE-Version (TINA, LTSpice usw.) besorgen, können Sie auch herumspielen.

Seien Sie darauf gefasst, ganz unterschiedliche Ein- und Ausschaltverhalten zu sehen. Beim Einschalten muss der Operationsverstärker aus einem sehr unangenehmen Zustand herauskommen, im Gegensatz zu seinem Betrieb beim Ausschalten.

Warum nicht die LED von einem bipolaren Differenzpaar ansteuern? Bei Ihren langsamen Geschwindigkeiten wird der 2n3904 gut funktionieren. Verwenden Sie einen 3. Transistor in der Stromquelle (dem Longtail).

Kurze Antwort: Reduzieren Sie R1 von 10 auf 1 Ohm und fügen Sie einen 10: 1-Teiler am Eingang oder nach Bedarf hinzu.

Die hohen oder Ioh-Stromgrenzen Ihres Operationsverstärkerausgangs, die nahe an Ihrer Betriebsgrenze von 100 mA liegen, führen zu einem starken internen Spannungsabfall an Vds

Auch aus Stabilitätsgründen kann die Berechnung schwierig sein, da der Ausgang "gesättigt" wird, wodurch die negative Rückkopplung verloren geht und die lineare Verstärkung somit auf Null abfällt. Die Impedanz der LED ist jedoch dynamisch, sodass sie niemals 100 mA erreicht, und der Ausgang kann in und aus dem "Vollschienen" -Modus (obwohl technisch nur als Sättigung in BJTs bezeichnet) von der vollen linearen Verstärkung bis zur Nullverstärkung oszillieren. Ein sehr instabiler Zustand.

Der Iout min > 100 mA aufgrund von RdsOn = 35 Ω @ 5 V, also führen 100 mA zu einem Vds-Abfall von 3,5 V!! oder Vout = 1,5 V. In der Zwischenzeit steigt der Strom nur auf 100 mA, wenn am Stromsensor R1 kein Abfall auftritt, der zusätzliche 10 * 0,1 A = 1 V beträgt, sodass sich 5,9 V Vdd ergeben, die erforderlich sind, damit es funktioniert. !!

Die erste Lösung ist also, 1 Ohm zu versuchen und dann die Worst-Case-Toleranzen für Temperatur, LED und Versorgungsspannung zu analysieren.

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OPA354

Die Stabilität bei niedrigeren Strömen wird durch den Coss der MOSFETs und C der LED bestimmt, was zu einer fehlangepassten Impedanz führt, insbesondere wenn intern kein ausreichender Headroom für Vds vorhanden ist.

Spekulation

Es kann erforderlich sein, Vdd auf 5,5 zu erhöhen, um die Stabilität bei maximalem Strom zu erreichen.

Es gibt keine Garantie dafür, dass dies bei allen Temperaturen funktioniert, aber es ist nah dran.

Dieser Chip kann jedoch 360 mW abführen, die abgeführt werden müssen, und erfordert möglicherweise einen Kupfer-Kühlkörper für die Platine des Gehäusekühlkörpers. Rθja=~90°C/W

optimale Verbesserungen

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Das Layout aller Eingangs- und Ausgangsstifte muss sorgfältig durchgeführt werden, um die Lastkapazität (von einer Masseebene) zu minimieren und möglicherweise Schutzspuren zu verwenden, um die Rückkopplungskapazität zu isolieren. Wenn aufgrund der Spur- oder Jumpergeometrie (sogar um 1 pF) mehr positive Rückkopplungskapazität als negative Rückkopplung vorhanden ist, wird ein störendes Klingeln induziert. Daher sollte diese Lösung alle Kapazitäten für die schnellste Anstiegszeit auf einem absoluten Minimum halten und dennoch ausgeglichen sein, um störendes Klingeln zu eliminieren. Die 1pF müssten je nach Layout ausgewählt werden.

Ein zu kleiner Rückkopplungs-R-Wert führt zu wilden Relaxationsoszillationen und ein zu großer reduziert die Anstiegszeit, daher ist die Impedanzanpassung für 30 bis 50 MHz BW bei hohem Strom kritisch, und hier ist noch mehr zu tun.

Wichtiger bei diesem Design sind die Akzeptanzkriterien. für mA, Restwelligkeit und Rauschen max.
Danke! Die Akzeptanzkriterien, hmm: Ich möchte schnelles Ein- und Ausschalten (10-20 ns), geringe Welligkeit (so gering wie möglich nach dem anfänglichen Einschaltvorgang) und einen präzisen (aber nicht unbedingt proportionalen) LED-Strom als Funktion der Eingangsspannung.
Übrigens weiß ich, dass dieser Operationsverstärker keine 100 mA treiben kann, ich gehe nur für 50 mA in dieser Steckbrettschaltung. Ich würde einen anderen schnellen Operationsverstärker auswählen, um die LED mit ihrem Nennstrom anzutreiben.
Beachten Sie, dass ich einige besonders feine Details hinzugefügt habe. Dieser Operationsverstärker kann funktionieren. tinyurl.com/yc58vl24 Reduzieren Sie R1 auf 5 Ohm und skalieren Sie die Eingabe entsprechend.
Versuchen Sie, Rf & C pF zu ändern, und sehen Sie sich die Auswirkungen an . tinyurl.com/ybp97dnr Meiner Erfahrung nach müssen schnell ansteigende Stromschritte mit CML- oder Strommodustreibern durchgeführt werden.
Große Rückkopplungs-R4-Werte interagieren auch mit der Eingangskapazität des Operationsverstärkers und verursachen Oszillationen, weshalb ich vorgeschlagen habe, dass ein gewisses Maß an Experimenten angebracht ist.
positive Rückkopplung ohne Reihen-R kann Schwingungen verursachen. Ein großes R4 kann die Stabilität beeinträchtigen, jedoch in geringerem Maße. Rev 2 tinyurl.com/ybmtzfh3 verwendet einen 0,5-Ohm-Shunt R
Operationsverstärker, der eine LED antreibt, oszilliert, wie stabilisieren?
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