Stabilität des gesättigten Verstärkers und Overdrive-Wiederherstellung

Ich habe zwei Fragen. Der erste Absatz ist Hintergrund, der zweite sind Fragen.

Hintergrund:

Ich habe einen Fotodiodenverstärker (APD mit niedriger Kapazität + schneller Transimpedanzverstärker), der eine gute Reaktion mit Lichtimpulsen mit kleiner Amplitude hat. Es hat einen guten Phasenabstand und es gibt kein Überschwingen.

Wenn ich die Amplitude des eingehenden Lichtimpulses erhöhe, nähert sich der Verstärkerausgang der Schiene oder trifft auf die Schiene, und ich bekomme ein Überschwingen und Klingeln.

Fragen:

  1. Wie analysiere ich den Phasenabstand des Verstärkers mit einer großen Signalantwort, die den Verstärker sättigen kann?

  2. Wie funktionieren Overdrive-Recovery-Schaltungen? Ich kann in meinem Gray & Meyer-Buch keinen Hinweis auf Overdrive-Recovery finden. Wo kann ich mehr über Overdrive-Recovery erfahren?

Danke

Lesen Sie das Datenblatt für (1) und verwenden Sie für (2) Zener und negative Rückkopplung, um eine Ausgangssättigung zu verhindern. Bei einigen hohen Werten des Rückkopplungswiderstands ist dies möglicherweise nicht angemessen.
Hallo David, ich stehe derzeit vor dem gleichen Problem, wie Sie es besprochen haben. Ich dachte, das Klingeln ist auf die kapazitive Last der Sonde zurückzuführen, aber das ist es nicht. Ich beobachte es nur bei Sättigung. Wie haben Sie dies vermieden? Bitte geben Sie die Beobachtungsdetails an
@kakeh meine Lösung ähnelte der analogsystemsrf-Schaltung mit automatischer Verstärkungsregelung. Eine Diode in der Rückkopplungsschleife schaltet einen Widerstand parallel zu einem Kondensator mit der gleichen Zeitkonstante wie die normale Rückkopplung, aber mit viel weniger Widerstand und mehr Kapazität. Dieser Widerstand * Ihr größter Eingangsstrom muss kleiner sein als die maximale Ausgangsspannung Ihres Operationsverstärkers. Auf diese Weise bleibt der Operationsverstärker immer in seinem linearen Bereich.
Meine Diode ist AD1500 vom ersten Sensor, der Spitzenstrom beträgt 0,25 mA, mein Operationsverstärker ist eine 2,5-V-Schiene mit einer Kombination aus 10 K und 1,6 p in der Rückkopplung, aber wenn ich einen 40-ns-Impuls (ich verstehe, dass meine ckt BW 10 MHz beträgt) an der Fotodiode i Ich sehe keine Sättigung, stattdessen sehe ich eine Impulsausdehnung auf 400 ns, warum so? Versuchen Sie mir zu sagen, dass ich den Sättigungsstrom des Operationsverstärkers niedriger als den Diodenspitzenstrom halten soll? dehnt sich der Puls aufgrund der BW-Einschränkung aus?
Mein Operationsverstärker LT6269 kann sogar bis zu 10 ns verarbeiten, also habe ich 10 k durch 1 k ersetzt, um sicherzustellen, dass der Operationsverstärker niemals gesättigt wird, da der Sättigungsstrom 2,5 mA beträgt, während der Diodenspitzenstrom 0,25 mA beträgt, aber dann habe ich den von Ihnen erklärten Effekt gesehen. klingelt es aufgrund von opamp-Sättigung oder APD-Sättigung? APD kann auf keinen Fall einen so hohen Strom von 2,5 mA liefern, da die Spitze selbst 0,25 mA beträgt.
@kakeh Ich habe auch den Effekt der "Impulserweiterung" gesehen, wenn ein Operationsverstärker mit dem OPA656 in die Sättigung gefahren wird. Den Operationsverstärker in seinem linearen Bereich zu halten, scheint für die Impulstreue am besten zu sein. Wenn Sie den Rückkopplungswiderstand eines TIA verringern, müssen Sie die Rückkopplungskapazität erhöhen, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Selbst dann können Sie mit einem dekompensierten Verstärker instabil sein, weil Sie die Verstärkung des Hochfrequenzrauschens verringern würden.
hast du meinen zweiten Kommentar gelesen? Ich sah eine Sättigung des Operationsverstärkers, selbst wenn ich den Sättigungsstrom des Operationsverstärkers viel höher als den Sättigungsstrom der Diode hielt. Eine 1K mit 1,6p Kombination sollte bis zu 100 MHz funktionieren, warum würde ein Stabilitätsproblem auftreten, ich mache mir mehr Sorgen um das Klingeln mit Impulsende.
@kakeh Ich verstehe nicht, was du mit Sättigung meinst. Typischerweise haben Operationsverstärker Sättigungsspannungen, die durch den maximalen Ausgangshub und auch die Stromtreiberfähigkeit bestimmt werden. Wenn nach Ihrem TIA eine große Last vorhanden ist, die viel Strom zieht, puffern Sie den TIA mit einem anderen Verstärker, der über eine höhere Stromkapazität verfügt. Es gibt, wenn überhaupt, nur wenige Operationsverstärker, die eine Transimpedanzbandbreite von 100 MHz unterstützen können. Zu diesem Thema gibt es online viel Material: Suchen Sie nach "Photodiodenüberwachung mit Operationsverstärkern" von Burr Brown.
Ich habe meine Ergebnisse und Fragen gestellt, die ähnlich sind. Bitte schauen Sie nach electronic.stackexchange.com/questions/331423/…

Antworten (2)

1) Die Vorhersage der Überlastwiederherstellung aus dem Kleinsignalverhalten ist ein hoffnungsloser Fall. Es hängt vollständig von Dingen wie den Eigenschaften des Eingangstransistors und den thermischen Eigenschaften des Chips ab.

2) Übersteuerungsschutzschaltungen funktionieren (typischerweise), indem sie den Übersteuerungsstrom von der Eingangsstufe wegführen. Infolgedessen sättigt der Eingang zwar, aber nur knapp. Ein typisches Beispiel wäre die Bereitstellung von Back-to-Back-Dioden über dem Eingang (auf Kosten einer erhöhten Eingangskapazität und eines leicht erhöhten Eingangsstroms).

Wo kann ich mehr darüber erfahren? Könnt ihr ein Buch empfehlen? Ich glaube nicht, dass meine Analyse und das Design von analogen ICs dies abdecken.
Würden Back-to-Back-Dioden nicht auch zulassen, dass der invertierende Eingang einen Diodenabfall über oder unter den nicht invertierenden Eingang bekommt, bevor der Strom abgeführt wird? An diesem Punkt wäre der Verstärker gesättigt. Wie kann ich den Strom früher vom Eingang wegleiten?
@ DavidG25 - Ja. Aber das ist besser als gar kein Limit. Und mir ist kein Buch zu diesem Thema bekannt.
@WhatRoughBeast Ich stehe vor einem ähnlichen Problem. Ich habe versucht, es hier zu erklären. Bitte werfen Sie einige Kommentare ein. electronic.stackexchange.com/questions/331423/…

Sie haben eine Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit an den großen Signalausgängen, was eine Zeitverzögerung ist.

Können Sie eine winzige Kapazität über Rfb hinzufügen, die nur 10 % dessen wert ist, was bei kleinen Amplituden funktioniert, aber den erforderlichen "Vorausblick" für große Eingänge bietet?

Oder simulieren Sie diesen TIA mit variabler Verstärkung

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Diese Art erinnert mich an die Verstärkungsbegrenzungsschaltung, die ich bei Weinbrückenoszillatoren verwendet habe, um weniger Verzerrungen zu erzielen. Ich bin mir nicht sicher, ob ich meinen Rückkopplungswiderstand verringern kann, da ich einen CFB-Operationsverstärker verwende, der so schnell wie möglich ohne Überschwingen abgestimmt ist. Wäre es richtig zu glauben, dass das Hinzufügen eines kleinen Signalphasenspielraums die Open-Loop-Phase kompensieren kann, die bei großen Signalamplituden aufgrund der durch die Anstiegsgeschwindigkeit begrenzten Zeitverzögerung einen Schlag erleidet? Ich habe ein wenig Spielraum, um meinen Verstärker zu verlangsamen.
Ich stehe vor einem ähnlichen Problem, werfen Sie bitte etwas Licht auf electronic.stackexchange.com/questions/331423/…
Stabilität des gesättigten Verstärkers und Overdrive-Wiederherstellung
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