Schwingungen im Design von Präzisions-Spannungs-Strom-Wandlern

Ich versuche, den TI Precision Design - Low Level (5uA) V-to-I Converter neu zu gestalten . Meine Designziele sind:

  • Erhöhen Sie die Bandbreite von etwa 1 kHz auf 100 kHz (in Zukunft idealerweise 1 MHz)
  • Erhöhen Sie den Ausgangsbereich von 0-5uA auf 0-50uA

Um den Ausgangsbereich zu erhöhen, habe ich Rset einfach um den Faktor 10 auf 10 kOhm verringert. Um die Bandbreite zu erhöhen, musste ich einen neuen Operationsverstärker und Instrumentenverstärker auswählen; Bei der Auswahl dieser Verstärker habe ich GBWP > Eingangsoffsetspannung > Offsetdrift priorisiert. Mein Grund dafür ist, dass die TI-App-Notiz besagt, dass die wichtigsten Designspezifikationen für die Verstärker Offsetspannung und Drift sind, aber mit meinem Ziel, die Bandbreite zu erhöhen, habe ich GBWP an die Spitze verschoben.

Ich entschied mich dafür, den OPA333 durch den OPA277 und den INA326 durch den INA118 zu ersetzen. Beachten Sie, dass ich von Single-Ended auf +/- 15 V umgeschaltet habe, dies war notwendig, um Verstärker mit der gewünschten Bandbreite zu finden. Mein Schema des gesamten neu gestalteten Setups befindet sich ganz am Ende dieses Beitrags.

Ich hatte Probleme beim Simulieren mit verschiedenen SPICE-Tools (ich konnte mein ganzes Leben lang die TI-Modelle nicht dazu bringen, in OrCad PSPICE zu arbeiten, und TINA von TI fror immer wieder ein), also habe ich eine schnelle Leiterplatte mit der Schaltung gemacht, nachdem ich etwas vage bekommen hatte ähnliche Simulationen laufen. Was ich im Labor gefunden habe, ist, dass meine Schaltung bei etwa 25 kHz schwingt und einfach unbrauchbar ist. Ich bin mir sicher, dass es sich um mein Kompensationsnetzwerk handelt, da ich keinen der Werte aus dem TI-Design geändert habe, sodass es absolut sinnvoll ist, dass meine Bandbreite nicht meine gewünschten 100 kHz ist. Ich habe Schwierigkeiten zu verstehen, wie die Werte des Kompensationsnetzwerks ausgewählt werden und wie ich etwas Stabiles entwerfen kann. Kann mich jemand in die richtige Richtung weisen oder einen Rat geben?

Ich sollte beachten, dass ich versuchen werde, diesen Strom in eine kapazitive Last einzuspeisen (ungefähr 10 uF nach mehreren Fuß Verkabelung). Für den ersten Labortest habe ich versucht, den Strom in eine 50-kOhm-Last zu treiben (noch keine große Kapazität).

Präziser V-zu-I-Konverter

Rufen Sie das Designdokument ti.com/lit/ug/slau507/slau507.pdf auf und lesen Sie Abschnitt 2.5, und recherchieren Sie dann. Es ist durchaus möglich, dass Ihre Komponenten einfach nicht schnell genug sind und Sie mit Ihrer gewünschten Bandbreite eine inakzeptable Loop-Stabilität haben.
Benötigen Sie eine geerdete Last für die Stromquelle? Muss es bipolar sein? (Strom in beide Richtungen.) Sie sehen nur die Schwingungen, wenn Sie die große Kapazität ansteuern? Oder immer? Ich denke, wenn Sie einen Composite-Verstärker bauen, möchten Sie, dass der zweite Verstärker schneller ist als der erste.

Antworten (1)

Um die Kriterien für einen Oszillator zu erfüllen, müssen Sie eine positive Rückkopplung bei einer Verstärkung von eins oder höher haben. Ihr konfigurierter Operationsverstärker fungiert bei höheren Frequenzen als Integrator, sodass Sie eine 90-Grad-Phasenverschiebung haben (zusätzlich zu den 180 Grad der negativen Rückkopplung) und mit der höheren Verstärkung des Instrumentenverstärkers am oberen Ende haben Sie sich getroffen das Oszillationskriterium. Die ursprüngliche TI-Schaltung verlässt sich auf den Abfall der Antwort des Instrumentenverstärkers (der eine niedrigere Verstärkung bei höheren Frequenzen bietet), um diesen Zustand zu vermeiden. Wenn Sie zum ursprünglichen Instrumentenverstärker mit seinem R2C2-Roll-Off-Netzwerk zurückkehren würden, wäre Ihre Schaltung wahrscheinlich stabil, aber mit dem niedrigeren Frequenzgang von 1 kHz.

Möglicherweise möchten Sie auch berücksichtigen, dass Ihre 50 uA in einer 10-uF-Last aufgrund von I = c dv/dt nur eine Anstiegsrate der Ausgangsspannung von 5 Volt pro Sekunde liefern. Bei 1 MHz oder sogar 100 kHz lädt jede Stromänderung hauptsächlich den großen Kondensator mit dieser sehr langsamen Rate auf, sodass die Spannungsantwort bei 1 MHz einige Mikrovolt beträgt.

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