Was ist der größtmögliche praktische stabile Gewinn?

Ich habe eine Rückkopplungsanwendung, um die Spannung eines Knotens einzustellen, bei dem ein erheblicher Verlust in der Schleife auftritt. Simulationen sagen mir, dass eine differentielle Spannungsverstärkung von 10000, 80 dB (ungefähr das, was Sie normalerweise von einem einzelnen Open-Loop-Operationsverstärker erhalten) nicht angemessen ist und ich in der Größenordnung von 140 dB benötigen würde, um die Anwendung durchführbar zu machen.

Beachten Sie, dass Rauschen in dieser Anwendung (im Rahmen des Zumutbaren) kein wirkliches Problem darstellt, aber eine Bandbreite von ~ 1 MHz wünschenswert ist, was ein etwas verrücktes GBW-Produkt von einstellt   10 13 . Außerdem benötige ich einen sehr niedrigen Eingangsruhestrom (<1µA.)

Ein mehrstufiger Verstärker scheint nicht realisierbar, da dies die Ordnung des Systems erhöhen und es unter Rückkopplungsbedingungen tendenziell instabil machen würde. Bevor ich überhaupt anfange, diskrete Designs und Optimierungen in Betracht zu ziehen (oder meine eigenen ICs für diese Anwendung zu bauen) oder einfach die ganze Idee verwerfe und zum Reißbrett zurückkehre, würde ich gerne wissen, wie realisierbar dies wäre:

  1. Was ist die größte erreichbare einstufige / einpolige Breitbandverstärkung / GBW (ich erinnere mich, dass eine Verstärkung von ~ 200 ungefähr die Grenze der diskreten Elektronik darstellt).
  2. Was ist die größte erreichbare zweistufige Verstärkung/GBW (die meisten Operationsverstärker würden in diese Kategorie fallen).
  3. Könnte ein mehrstufiger (>3) Verstärker so kompensiert werden, dass dies möglich ist?
  4. Was ist der Operationsverstärker mit der größten Verstärkung/GBW, der derzeit auf dem Markt erhältlich ist?
  5. Würde eine andere Topologie (z. B. Norton- oder Transkonduktanzverstärker) einen Weg bieten, diese Einschränkungen zu umgehen?

Ich entwerfe derzeit einen etwas schwer zu bekommenden LTC6269IDD-10. Ein 4-GHz-GBW-Operationsverstärker mit Nicht-Eins-Verstärkungskompensation. Aber auch das erweist sich als Herausforderung.

Konzeptschema (beachten Sie, dass die meisten Parameter nicht geändert werden können und etwas zufälliger Natur sind, einschließlich der Widerstände, Kondensatoren und der Signalquelle):

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

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Ich denke, ein Stromgegenkopplungsverstärker ist das, was Sie hier brauchen, aber ich habe nicht genug Erfahrung, um viel mehr als das zu sagen.
Möglicherweise müssen Sie den Verlust in der Rückkopplung nicht durch Erhöhen der Verstärkung in der Gesamtschleife kompensieren , sondern durch Hinzufügen eines Verstärkers (vor oder nach dieser Dämpfung) mit eigener Rückkopplung. Auf diese Weise wird die Anforderung an die Verstärkung in der Gesamtschleife viel geringer.
@Bimpelrekkie Angesichts der Anforderung von ~ 80 dB ist dies bereits ein Operationsverstärker im offenen Regelkreis (mit all seinen Polen). Aber es fügt ein paar Möglichkeiten hinzu, falls ich die Verstärkungsanforderungen um einige Größenordnungen reduzieren kann.
Angesichts der Anforderung von ~ 80 dB ist dies bereits ein Operationsverstärker im offenen Regelkreis. Teilen Sie dies dann auf zwei oder mehr kaskadierte Verstärker auf, von denen jeder ein Operationsverstärker mit eigener Rückkopplung ist. ~80 dB in einer Schleife klingen für mich nach zu viel für eine Schleife, besonders wenn Sie eine BW benötigen, die mehr als ein paar kHz beträgt.
Sie werden eine Kopplung von mehr als -80 dB in den Stromversorgungsschienen und anderen parasitären Quellen erhalten. Grundsätzlich wird Ihr Feedback-Signal von Ihrem eigenen Verstärkerausgang überschwemmt. Es kann eine gute Idee sein, einen Schaltplan zu posten, wenn Sie können.
@Bimpelrekkie 80 dB in einer Schleife klingt für mich nach zu viel für eine Schleife, dem stimme ich zu. Deshalb stelle ich diese Frage. Beachten Sie jedoch, dass der Zweck der Verstärkung darin besteht, diese Schleife zu erzeugen, um eine Spannung in einem bestimmten Knoten zu erzwingen. Ich verstärke nicht nur ein Signal, das an anderer Stelle verwendet werden soll, sodass eine Kaskade von Verstärkern für diese Anwendung nicht funktionieren würde (ohne eine ernsthafte Kompensation). , das ist)
@SpehroPefhany, das eine Oszillation in dieser Anwendung fast garantiert, es sei denn, es wird eine State-Space-Kompensationsmethode entwickelt, die eine diskrete Elektronik erfordern würde, da Operationsverstärker dafür möglicherweise nicht ausreichend beobachtbar sind. (Hinweis: Wir sprechen von (140/3) dB ~ 50 dB pro Stufe, was immer noch übertrieben ist). Das Ziel ist die Rückkopplungsschleife, nicht das Signal.
Kannst du nicht ein bisschen mehr erklären, was du zu tun versuchst? Ich sehe eine gewisse Diskrepanz zwischen Ihrem Kommentar, dass Rauschen kein Problem darstellt, und einer Verstärkung von 140 dB. Wenn Ihr Ausgangssignal im Bereich von 1 V liegt, sehen Sie ein Eingangssignal von 100 nV. Wenn das eine Bandbreite von 1 MHz hat, ist das weißes Rauschen im Bereich von 100 pV / rt (Hz), was ähm ... herausfordernd ist.
@TimWescott Ich habe ein konzeptionelles Schema hinzugefügt (es würde perfekt funktionieren, wenn ich einen dieser "idealen Operationsverstärker" finden könnte, von denen ich immer wieder höre ....)
@SpehroPefhany Ich versuche, Störungen von einem Knoten zu entfernen. Der Grund dafür, dass Rauschen kein Problem darstellt, ist, dass dies für meine tatsächliche Messung ein Gleichtakt wäre, der ~ 10 mV RMS-Zufallsrauschen oder sehr lockere 10 µV / sqrt (Hz) tolerieren könnte.
Das Modell sieht für mich falsch aus, um CM-Rauschen zu entfernen. Es sollte keine lokale Masse im Vergleich zu einem entfernten Signal mit GBW=1e14 und einem 90-Grad-LPF sein, um den Phasenabstand zu reduzieren, sondern ein Differenzverstärker mit einer Abschirmung, die vom DM-Signal angesteuert wird, um CM-Rauschen mit Eins-Verstärkung zu überbrücken. Aka Active Guarding wird im EEG verwendet. Mit 1MHz CM-Drossel.
Welche Ausgangsspannung bei 1 MHz benötigen Sie?
Ich erinnere mich, dass ich den Rout eines 3-Transistor-Stromspiegels auf einem Fairchild Curve Tracer mit etwa 5 Megaohm gemessen habe. Ein bipolares Diffpair mit 20 mA hätte eine Transkonduktanz von 1/2,6 Ohm; Kombinieren Sie den Spiegel und das Diffpair, und Sie haben einen Av von 2.000.000X.
@analogsystemsrf Betreff: Welche Ausgangsspannung bei 1 MHz liegt etwas in der Luft, da ich es mit unvollkommenen Modellen und Parasiten zu tun habe. Was ich weiß, ist, dass ich in der Lage sein muss, ~ 1 Vpp bei 100 kHz am Zielknoten zu dämpfen, was in der Größenordnung von 10 Vpp auf der Rückkopplungsschaltung impliziert (dies ist aus verschiedenen Gründen nicht wünschenswert, daher gehe ich separat darauf ein, und würde im Allgemeinen lieber unter 5 Vpp bleiben).
Ich bin mir nicht sicher, ob Sie einen finden werden, der Ihren Bandbreitenanforderungen entspricht, aber einige Instrumentenverstärker können eine Verstärkung von 10.000+ erreichen.

Antworten (2)

Was ist die größte erreichbare einstufige / einpolige Breitbandverstärkung / GBW (ich erinnere mich, dass eine Verstärkung von ~ 200 ungefähr die Grenze der diskreten Elektronik darstellt).

Diese Chopping-Verstärker sind die höchsten Verstärkungen, die ich je gesehen habe, bei 240 dB oder höher mit einer Einheitsverstärkung von 300 kHz. Das ist ein GBWP von 3 * 10 ^ 29. Seien Sie nicht zu aufgeregt, sie sind teuer.

Was ist die größte erreichbare zweistufige Verstärkung/GBW (die meisten Operationsverstärker würden in diese Kategorie fallen). Könnte ein mehrstufiger (>3) Verstärker so kompensiert werden, dass dies möglich ist?

Meiner Meinung nach wird das Hauptproblem Rauschen sein, insbesondere wenn die Operationsverstärker ein Rückkopplungsnetzwerk mit hoher Verstärkung haben. Das Problem ist, dass das Rauschen der ersten Stufe mit der zweiten multipliziert wird. Wenn Sie also eine Verstärkung von 10 ^ 6 auf der zweiten Stufe und ein Rauschen von 1 uVpp auf der ersten Stufe haben, sieht die zweite Stufe 1 Vpp Rauschen von der ersten Stufe. 1uVpp wird für die meisten Designs nicht nützlich sein.

Bei allen von mir entworfenen High-Gain-Systemen ist es am besten, sich in der ersten Stufe um den größten Teil der Verstärkung zu kümmern. Sogar Widerstände werden bei 1 MΩ zu großen Rauschquellen, und wenn Sie eine Verstärkung von "nur" 10 ^ 6 wollen. 1/F-Rauschen ist ein noch größeres Problem bei hoher Verstärkung.

Aber wirklich, was versuchst du zu tun? Typische analoge Digitalsysteme haben einen Vorverstärker, der in einen ADC eingespeist wird. Wenn das Rauschen erhöht wird, erhöht man nur die Anzahl der verrauschten Bits auf einem ADC. Auch wenn der Vorverstärker nicht für die digitale Wandlung verwendet wird, gibt es in Steuerungssystemen immer noch Rauschen. Meiner Erfahrung nach ist es wirklich das SNR, auf das es ankommt. Wenn diese Zahl also nicht berechnet wurde, sollte sie es sein.

Es gibt mehrstufige Optionen, auf der Vorverstärkerstufe können die Verstärker für geringeres Rauschen parallel geschaltet werden, wobei das Rauschen geringer ist ( 2 ) N A M P S . Typischerweise sind bei normalen Operationsverstärkern Verstärkungen über 10000 schwierig. Ich habe versucht, Operationsverstärker für geringeres Rauschen parallel zu schalten, es funktioniert gut.

Würde eine andere Topologie (z. B. Norton- oder Transkonduktanzverstärker) einen Weg bieten, diese Einschränkungen zu umgehen?

Nicht, dass ich wüsste, der Weg, um Probleme mit hoher Verstärkung zu umgehen, besteht höchstwahrscheinlich darin, Verstärker zu zerhacken, die dazu beitragen, das Rauschen zu verringern. Die Lernkurve ist jedoch sehr steil.

Eine andere Möglichkeit, diese Probleme zu umgehen, besteht darin, die Bandbreite in verschiedene Signalketten aufzuteilen. Beispiel: Sie benötigen 1e13 mit einer Bandbreite von 1e6, was einen Gewinn von 1e7 bei DC bedeutet. Eine Möglichkeit, dies aufzuteilen, wäre eine mehrstufige Signalkette mit Bandpassfiltern. Eine Kette könnte 100 Hz mit einer Verstärkung von 1e7 abdecken, dann könnte eine andere Stufe 100 Hz bis 1000 Hz mit einer Verstärkung von 1e7 abdecken, die nächste würde 1 kHz bis 1000 kHz usw. abdecken. Dies ist nur eine Veranschaulichung.

Was auch immer Sie tun, es wird sowohl in Bezug auf die Hardware als auch auf die Konstruktionszeit kostspielig sein. Jetzt wäre ein guter Zeitpunkt, um sich die Anforderungen auf Systemebene anzusehen und sicherzustellen, dass sie korrekt sind und die Kosten für dieses Design gerechtfertigt sind.

Die größtmögliche praktische Verstärkung im geschlossenen Regelkreis (V / V), die nützlich ist, würde IMO bei etwa 10000 liegen.

Huch! Ich würde gerne das Design dieses Choppers sehen.
Wie absolut (zensiert) funktioniert dieser Chopper-Verstärker‽

Hier ist ein einstufiger Operationsverstärker mit einer Verstärkung von etwa 100.000; war bei einer Verstärkung von 10 stabil und stellte sich in etwa 7 Nanosekunden für eine Eingangsflanke von 1 Nanosekunde ein, eine Verstärkung von 11X.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Sehe nicht, wie das in irgendeiner Weise hilft.
Das OP fragt sich, ob 200x der größtmögliche Gewinn in einer Stufe ist. Das sagt nein.
Wie ist das besser als jeder moderne Operationsverstärker mit einer Open-Loop-Verstärkung von mehr als 10e6 (was durchaus üblich ist)? Was ist das Rauschen an diesem Verstärker?
Beachten Sie die Einschwingzeit.
@laptop2d könnten Sie auf diese Operationsverstärker hinweisen? Ich bin mir nicht sicher, ob ich oben etwas gesehen habe 10 5 der Open-Loop-Verstärkung.
Hier ist eine Liste von Operationsverstärkern mit 120 dB+ Open-Loop-Verstärkung analog.com/en/parametricsearch/11070#/… (wenn es richtig funktioniert)
@laptop2d danke!! Ich glaube, ich habe mir nie die Mühe gemacht, mir diese Spalte anzusehen. Aber wie üblich könnten die Kompromisse, die ich eingehen muss, aus anderen Gründen inakzeptabel sein (nur GBW hat meine Auswahl auf zwei reduziert), alle, die ich mir angesehen habe, würden eine ziemliche Neugestaltung erfordern.
Was ist der größtmögliche praktische stabile Gewinn?
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