Treiben einer schwierigen Last mit einem Operationsverstärker: hohe Kapazität, hoher Strom, hohe Geschwindigkeit

Ich habe den ganzen Tag meinen Kopf gegen dieses Problem geschlagen. Ich habe eine bizarre Last, die ich über 88 Fuß SMA fahren muss, das ist ein 68-Ohm-Pullup auf 15 V. Die Verkabelung fügt 2,64 nF Kapazität hinzu. Ich habe es unten skizziert.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich treibe negativ verlaufende analoge Impulse (im schlimmsten Fall von 0 V bis 3 V und zurück), bei denen sowohl die Amplitude als auch die Impulsbreite wichtig sind, mit Anstiegszeiten bis zu 20 ns. Irgendwie muss ich erreichen:

  • Geringes Überschwingen (<135 mV)
  • Hohe Amplitudengenauigkeit
  • Stabilität (das war das Schwierigste!)

Da dies das Sinken von 18 V / 68 Ω = 265 mA erfordert, kann ich nicht einfach einen Operationsverstärker verwenden. Also habe ich eine stromverstärkte Operationsverstärkerschaltung wie folgt ausprobiert:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich habe dies ursprünglich ohne Berücksichtigung der Kapazität der Verkabelung entworfen und es geschafft, es perfekt zu machen, aber es oszilliert, sobald ich die 2,64 nF anschließe, wie Sie unten sehen können. Ich habe viele verschiedene Transistoren und Operationsverstärker ausprobiert und erraten, welcher Parameter dies beeinflussen würde, aber ich kann die Oszillation nicht loswerden. Ich bin wegen der schnellen Anstiegszeiten auch auf einen Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker (BW> 50 MHz) angewiesen.

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Derzeit scheint meine einzige praktikable Lösung ein einfacher Spannungsfolger ohne Rückkopplung zu sein. Ich müsste den VBE-Abfall und die Temperaturabhängigkeit kalibrieren, was ein schreckliches System ergibt.

Meine Frage ist folgende. Was verursacht diese Schwingung und was muss ich bei der Teileauswahl tun, um dies zu verhindern bzw. wie könnte ich die Schwingung dämpfen?

Versuchen Sie es vielleicht so: ti.com/lit/ds/symlink/lmh6321.pdf
Versuchen Sie, C3 zu entfernen und stattdessen einen Kondensator (wenige pF) zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang hinzuzufügen. Und verwenden Sie einen besseren Transistor, der 2N2907 hat bei diesen Frequenzen nicht genug Verstärkung.
@JonathanS. Ich habe ohne Erfolg einen schnelleren Transistor (ZXTP25100 mit 200 MHz Bandbreite) ausprobiert. Glaubst du, ich brauche noch mehr? Ich habe auch eine so verbundene Kappe ausprobiert, auch dort kein Glück.
@JohnD Cooles Teil! Open-Loop-Pufferung ist neu für mich, aber das sieht so aus, als könnte es funktionieren. Ich hatte gehofft, mein Problem zu lösen und gleichzeitig das Feedback beizubehalten, teilweise weil mein Projekt mil temp ist, also würde ich lieber nicht auf ICs angewiesen sein. Aber das werde ich mir merken!
Sie können den Puffer möglicherweise in die Rückkopplungsschleife einfügen, wenn Sie herausfinden können, wie Sie die Reaktion der offenen Schleife so anpassen können, dass sie beim Schließen der Schleife stabil ist.
National (jetzt TI) stellte früher den LH0063 her.
Ich glaube, es gibt einen grundlegenden Fehler: Das Modellieren von 30 m Kabel mit Kanten von 20 ns (4 m Länge), da ein einfacher Kondensator nicht alle Übertragungsleitungseffekte berücksichtigen kann, die stattdessen regieren.
@carloc In gewisser Weise hast du Recht. Ich brauche unbedingt einen 50 Ohm Vorwiderstand. Aber die Schaltung schwingt sogar in einem stationären Zustand. Wenn ich nur die Oszillation verfolge, ist es dann fair, das Kabel als Kondensator zu modellieren?
Ich glaube, eine 50-Ohm-Serie würde Ihre Pufferspezifikationen erheblich erleichtern, indem sie die Kabelkapazität irgendwie isoliert. Tatsächlich gibt es viele vorgefertigte Operationsverstärker und Puffer, die für die Ansteuerung von 50-Ohm-Leitungen spezifiziert sind. Die Modellierung eines Kabels als einfacher Kondensator hängt jedoch von seiner Länge in Bezug auf die Signalwellenlänge und der Lastimpedanz in Bezug auf die charakteristische Impedanz des Kabels ab. Abhängig von der Autooszillationsfrequenz kann dies in Ordnung sein.
@carloc Ja, ich hatte noch keine Zeit, ein Update zu posten, aber ich habe festgestellt, dass die 50 Ohm den Vorteil hatten, die Kapazität vom Operationsverstärker zu isolieren und die Oszillation zu stoppen. Ich habe auch den Push-Pull gemäß der folgenden Antwort implementiert. Das einzige Problem ist, dass die 50 Ohm einen Spannungsteiler mit dem 68-Ohm-Pullup erzeugen, weshalb ich ihn ursprünglich weggelassen hatte!

Antworten (1)

Der Q1-Ausgang des Schaltungsdesigns liefert nur im negativen Teil des Ausgangssignals eine Ansteuerung und ist diskontinuierlich. Wenn das Signal positiv wird, kann der Strom zum Ansteuern des Ausgangs an R6 in positiver Richtung nicht von Q1 kommen, daher muss die Spannung vom Pull-up-Widerstand und dem RC von R1 und C2 ansteigen. In der Zwischenzeit geht der (viel schnellere) Operationsverstärkerausgang positiv zur Operationsverstärkerschiene. Sobald die R6-Spannung den Punkt erreicht, an dem der negative Operationsverstärkereingang den Operationsverstärker in die entgegengesetzte Richtung startet, muss der Operationsverstärker aus der Sättigung kommen und die Basis- und Miller-Kapazität auf eine Spannung heruntertreiben, die sich einschaltet Q1. Auch hier geht der Ausgang des Operationsverstärkers auf die Schiene, wenn die Basisspannung nacheilt, was erneut zu einem Überschwingen führt, und der gesamte Prozess beginnt von vorne. Sie benötigen in dieser Schaltung einen Gegentaktantrieb, damit Sie die Last in beide Richtungen treiben und den Operationsverstärker außerhalb der Sättigung halten können. Dies erfordert zwei Transistoren. Sie müssen auch Unterbrechungen vermeiden - in dieser Schaltung bedeutet eine Änderung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers keine Änderung des Schaltungsausgangs, es sei denn, Q1 ist "ein". Also eine Gegentaktschaltung, die die Ausgangstransistoren des Treiberverstärkers im aktiven Bereich hält. Viel Glück!

Heiliger Strohsack. Nach einem kurzen Scan gebe ich dir recht. Ich werde versuchen, eine "Push" -Schaltung hinzuzufügen und meine Ergebnisse zu posten.
Eine Frage, warum brauche ich zwei Operationsverstärker? Wäre es nicht akzeptabel, einen Operationsverstärker mit einem PNP- und NPN-Follower in Ihrer Standard-Push-Pull-Konfiguration wie folgt zu haben: en.wikipedia.org/wiki/Push%E2%80%93pull_output#/media/…
@jalalipop Nein, denn das hätte eine "tote Zone", in der aufgrund des Basis-Emitter-Spannungsabfalls keiner der Transistoren eingeschaltet ist. Und vielleicht möchten Sie HF-Transistoren mit einer Übergangsfrequenz von ~ 1 GHz verwenden. Der 2N2907 und der ZXTP25100 (ft=200 MHz) bieten bei diesen Frequenzen nur eine Verstärkung von etwa 4 (200 MHz/50 MHz), was möglicherweise Ihre Anstiegs- und Abfallzeit ruiniert.
Ah ja, ich sehe, dass Sie das in Ihrer Antwort erwähnt haben ... Ich denke, es besteht die Sorge, dass beide BJTs gleichzeitig eingeschaltet sind und zwei unabhängige Operationsverstärker die beiden antreiben. Ich werde das simulieren und danach suchen.
Ich hätte "zwei Transistoren" sagen sollen, nicht "zwei Operationsverstärker". Ich werde bearbeiten.
@JohnBirckhead Ich hatte das versucht, aber die Amplitudengenauigkeit ist aufgrund der Fehlanpassung zwischen der Diode Vf und der BJT VBE nicht besonders gut, insbesondere bei all dem Strom, der von den Transistoren versenkt wird.
Ich habe versucht vorzuschlagen, diese Stufe nach dem Operationsverstärker hinzuzufügen und dieselbe Strategie wie bei Ihrem Design zu verwenden (Feedback vom Ausgang).
Dies hat die Oszillation nicht ganz von selbst behoben, aber dies plus ein 50-Ohm-Reihenwiderstand (den ich sowieso brauchte) nach dem Rückkopplungspunkt hat es für mich getan. Der Widerstand allein war nicht genug. Danke!
Treiben einer schwierigen Last mit einem Operationsverstärker: hohe Kapazität, hoher Strom, hohe Geschwindigkeit
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