Was passiert, nachdem der Operationsverstärker gesättigt ist

Hier unten ist eine TIA-Stufe, die für eine IV-Umwandlung vorgesehen ist, da die maximale Versorgungsspannung 5 V für einen gegebenen Rückkopplungswiderstand von 1 K beträgt und der Operationsverstärker für einen Eingangsstrom von der Fotodiode von 5 mA gesättigt wäre

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Nehmen wir an, der Strom pulsiert. Was passiert, wenn dem Operationsverstärker mehr als 5 mA Strom zugeführt werden? Offensichtlich würde er gesättigt sein und nach einer Übersteuerungswiederherstellung seinen Zustand wieder beibehalten

Nehmen wir an, wenn mein Eingang jetzt 100 mA von der Fotodiode beträgt (was ich als Sättigung / nahezu Sättigung der Fotodiode betrachte), würde der Rückkopplungspfad bei Sättigung nur 5 mA Strom in seiner Schleife fließen lassen

Wo genau sind die verbleibenden 95 mA Strom geblieben ??? Der Opamp-Eingang lässt ihn aufgrund der sehr hohen Impedanz nicht passieren.

oder wenn es die Eingangsstromgrenze überschreitet, würde es sogar in einen hochohmigen Eingang einbrennen / eintreten?

Ich bin ein Anfänger in Opamp, ich habe es gelesen und nur als Blackbox verstanden, bitte geben Sie mir einen Hinweis darauf, wie ein Opamp in Sättigung verstanden werden sollte, was die Stromgrenze hier überhaupt ist,

Antworten (4)

Undefiniert und variiert zwischen Operationsverstärkern.

Möglicherweise sehen Sie Spannung am angeblich virtuellen Erdungseingang. Wenn diese Spannung die Versorgung übersteigt (oder eine niedrigere Spannung relativ zum +ve-Eingang), können Schutzdioden vorhanden sein, um den überschüssigen Strom abzuleiten.

Sie können eine oder mehrere Stufen im Operationsverstärker gesättigt lassen, und gesättigte Transistoren schalten sich langsam aus, was die Leistung des Hochgeschwindigkeits-Opamps ruiniert. Daher kann es nach dem Entfernen des überschüssigen Eingangsstroms lange dauern (Mikrosekunden), bis der Operationsverstärker wieder korrekt auf Eingangssignale reagiert.

Wenn Ihnen dieses Verhalten wichtig ist, muss es in Absprache mit den Anwendungstechnikern des Lieferanten Teil Ihrer Kriterien für die Auswahl eines Operationsverstärkers sein.

Die richtige Antwort lautet jedoch: Es wird nicht passieren, da Sie die Schaltung neu entwerfen, um eine Sättigung des Operationsverstärkers zu vermeiden.

BEARBEITEN: Aus dem Datenblatt , das in der Frage hätte verlinkt werden sollen:

Eingangsschutz Um einen Ausfall interner Geräte in der Eingangsstufe zu verhindern, sollten die beiden Eingänge des Operationsverstärkers NICHT um mehr als 2,0 V getrennt werden. Um die Eingangsstufe zu schützen, wird die interne Schaltung automatisch aktiviert, wenn die Eingänge um 2,0 V und Eingang getrennt werden Ströme beginnen zu fließen. In allen Fällen ist darauf zu achten, dass diese Ströme kleiner als 1 mA bleiben.

Wenn also bei geerdetem positivem Eingang die Beleuchtung den Verstärker sättigt und Vin- zu steigen beginnt, besteht die Gefahr eines Ausfalls des Geräts, wenn der Eingang 2 V erreicht, an welchem ​​Punkt die Fotodiode immer noch mit 3 V in Sperrrichtung vorgespannt ist. Dann kann der Schutz weitere 1 mA aufnehmen, bevor die Eingangsspannung weiter ansteigt.

Während @le_top richtig ist, dass die Fotodiode, sobald sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, überschüssigen Strom absorbiert, geht aus dem Datenblatt ziemlich klar hervor, dass dieser spezielle Operationsverstärker bis zu diesem Punkt nicht überleben wird.

Weder sind Schutzdioden erforderlich noch nützlich, da der überschüssige Strom in der Fotodiode verbraucht wird. Die Sättigung des OPAMP tritt im Falle eines Überstroms auf - wenn dies der "normale" Fall ist, ist eine Neugestaltung erforderlich, wenn die Verzögerung, die erforderlich ist, um sich von der Sättigung zu erholen, zu hoch ist. Es ist akzeptabel, wenn die Sättigung nur außerhalb des normalen Betriebs auftritt und der Spannungspegel für die nachfolgenden Stufen (z. B. ADC) "hoch genug" bleiben muss.
@le_top: Bearbeitete Antwort, um Ihre Bedenken auszuräumen.
ok, um klarzustellen, dass dieser OPAMP den Hochspannungseingang am '-' mit Sicherheit nicht aufrechterhalten kann und andere OPAMPs möglicherweise keine höhere Eingangsspannung als die Stromversorgung aufrechterhalten.
Diese Frage, die sich aus meinem hier gestellten Problem ergibt, electronic.stackexchange.com/questions/239410/…

Eine Fotodiode ist einer normalen Diode ziemlich ähnlich, nur dass das einfallende Licht die V/I-Kennlinie der Diode verschiebt. Die Spannung, die Sie an die Diode anlegen, führt zu einem Strom gemäß dieser Kurve. Ebenso würde ein angelegter Strom zu einer Spannung führen. Die Diode ist immer noch durch eine Durchlassspannung und eine Durchbruchspannung (Sperrspannung) begrenzt.

In Ihrer Schaltung wird im Normalbetrieb eine Sperrspannung von 5 V angelegt, die auf bis zu 10 V ansteigen kann, wenn Rf und die Sättigungsspannung des Operationsverstärkers dies zulassen. Es sollte jedoch nicht mehr als 5 V betragen, da sich die Diode im Dunkeln wie eine andere Diode verhält und die Opamp-Rückkopplung funktioniert und der '-'-Eingang auf 0 V einschwingt.

Es ist möglich, den Betrieb anhand der V/I-Schaltkurve vorherzusagen.

Wenn der Rf-Widerstand den Strom aufgrund von Sättigung begrenzt, befindet sich die Diode aufgrund des internen Stroms in Durchlassrichtung. Die Anode ist also höher als die Kathode und würde bei etwa 6 V liegen (abhängig von der Durchlassdiodenspannung). Der Ausgang des Operationsverstärkers würde auf etwa -5 V gesättigt und der Widerstands- und Diodenstrom würde etwa 10 V/Rf betragen.

Der gesamte Strom, den die Diode nicht liefern kann, wird intern verbraucht, was zu einer Erwärmung der Diode führt. Es erwärmt sich nicht mehr als jedes andere ähnliche Objekt, das Sie der gleichen Lichtintensität aussetzen würden. Es erwärmt sich etwas weniger, da ein Teil der Energie von Rf verbraucht wird.

Hier ist eine andere Möglichkeit, die Schaltung zu analysieren:

Der Strom, der durch die Diode zur Schaltung fließt, ist aus Sicht der Diode ein Rückstrom. Der Strom kommt aus der Kathode zum R F Widerstand und fließt von der 5-V-Versorgung in die Anode.

Aus dem Datenblatt können wir ersehen, dass, wenn der Strom durch die Fotodiode 0 ist, aber wenn genügend Licht vorhanden ist, die Diodenspannung auf der Vorwärtssättigungsspannung liegt.

Der Strom wird negativer, wenn die Durchlassspannung der Diode kleiner wird. Und sobald die Durchlassspannung unter das „V/I“-Knie (etwa 0,75 V) fällt, ist der Strom für eine stabile Lichtquelle mehr oder weniger stabil.

Die Schaltung kann diesen Strom jedoch nicht aufnehmen; R F begrenzt den Strom der Diode (der '-'-Eingang des Operationsverstärkers verbraucht noch weniger Strom).

Die Fotodiode absorbiert diesen überschüssigen Strom intern und die Diodenspannung wird in Durchlassrichtung vorgespannt.

Da der '-'-Eingang des Operationsverstärkers höher ist als der '+'-Eingang, nimmt der Operationsverstärkerausgang ab. Dank der negativen Rückkopplung nimmt auch der Eingangsspannungspegel "-" ab, bis der Operationsverstärker gesättigt ist. Der Operationsverstärker kann die Ausgangsspannung nicht weit genug senken, um 0 V am '-'-Eingang zu erhalten. Daher der durchfließende Strom R F ist aufgrund der Sättigung des Operationsverstärkers begrenzt. Der '-'-Eingang liegt deutlich über 0 V und sogar bei etwa 5,75 V, da die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.

Dies stimmt mit dem äquivalenten Fotodiodenmodell überein, das vorhersagt, dass der überschüssige Strom im Wesentlichen von einer internen äquivalenten "normalen" Diode verbraucht wird.

Ich hoffe, dass das Rätsel gelöst wird. Es ist auf den ersten Blick nicht "einfach" zu verstehen, an dieser Erklärung muss man sicher noch etwas arbeiten.

Die Verwirrung begann, als Sie angefangen haben, "Wir können die Schaltung auch so betrachten", was bedeutet es, wenn der externe Strom Null ist? Bedeutet, dass die Fotodiode nicht leuchtet? also keinen strom erzeugen? Aber die meisten Antworten sind klar, die Diode kann nicht liefern, also wird sie von der Diode selbst verbraucht. Wenn ich die Diode in eine APD ändere, würde sie mehr Wärme erzeugen, da die Reaktion ziemlich hoch ist, aber der letzte Abschnitt in der Antwort bedarf einer Klärung. Danke
Die Bearbeitung des letzten Abschnitts würde es meiner Meinung nach zu einer akzeptierten Antwort machen
Ok, ich schreibe es etwas um.
Ich habe es so verstanden, da Rf den Fotostrom begrenzt, dh 5 mA, wenn Rf 1 K beträgt, sodass Strom von mehr als 5 mA in Wärme umgewandelt wird. Ich möchte meine Fotodiode vor Erwärmung bewahren, dann kann ich einen Begrenzungswiderstand in Reihe mit Foto schalten Diode von der Versorgung, damit sie nicht erhitzt wird? Zum Beispiel kann meine Fotodiode einen maximalen Strom von 100 mA erreichen, sodass 95 mA in Wärme umgewandelt werden. Kann ich einen Begrenzungswiderstand platzieren, um dies zu vermeiden? anstatt mit einer speziellen Strombegrenzungsschaltung zu gehen?
Wenn Rf 1k ist, dann ist der maximale Strom, der durch Rf fließt, (5V+1V-(-5V))/1k=11V/1k= 11mA. Dies setzt voraus, dass die Durchlassspannung der Fotodiode 1 V beträgt - sie muss gemäß den Spezifikationen angepasst werden. Der Spannungsabfall über der Fotodiode beträgt 1 V, wenn sie gesättigt ist. Die Energie, die die Fotodiode absorbieren muss, wird vom Licht erzeugt, nicht von der Schaltung, sodass sie nicht mehr als die Energie des Lichts absorbieren muss, was nicht mehr ist als jedes andere „schwarze“ Objekt. Ich bin der Meinung, dass Sie die Diode davor nicht schützen müssen.
Völlig einverstanden, meine Verwirrung baut sich viel tiefer auf, wenn neue Kommentare auftauchen, wegen der Unklarheit des Fotodiodenäquivalents im Sättigungsmodus, laut Ihrer Erklärung würden die 11 mA zum Sättigungsstrom der Diode, aber warum lese ich den Sättigungsstrom als 100 mA in meinem Diodendatenblatt ?
Diese Frage, die sich aus meinem hier gestellten Problem ergibt, electronic.stackexchange.com/questions/239410/… , ich habe einige Patente gesehen, die sogar versucht haben, den Eingangsstrom auf TIA zu begrenzen, ich kann immer noch nicht verstehen, warum nur wenige versucht haben, den Strom auf TIA zu begrenzen auch wenn es kein Problem ist?
Sättigungsstrom im Datenblatt: Dies setzt voraus, dass der Strom fließen kann. Sie können die V/I-Linie des Widerstands (aus der Sicht der Diode) auf die V/I-Kennlinie der Diode zeichnen, um den Einschwingpunkt zu finden. Die interne Schutzdiode des Operationsverstärkers kann das Verhalten ändern und eine höhere Spannung über der Diode erzwingen.

Es werden nicht 100 mA sein, die durch die Diode fließen. Wenn der Operationsverstärker gesättigt ist, können Sie ihn einfach als seinen geerdeten Ausgang betrachten und den invertierenden Eingang weglassen. Über die Diode, den Widerstand und den Low-Side-Ausgangstransistor des Operationsverstärkers fließen 5 mA. Obwohl die Diode mehr Strom durchlassen würde, wird sie durch die Spannung der Diodenversorgung und den Wert des Widerstands begrenzt.

kannst du das bitte etwas näher erläutern
Wenn zu viel Strom fließt, kann der Operationsverstärker im Grunde die Vorspannung an der Fotodiode nicht aufrechterhalten, bei reduzierter Vorspannung fließt ein reduzierter Strom.
Bitte verwechseln Sie die Diode nicht mit normal, ihre Fotodiode, sie würde als Stromquelle fungieren und Strom aus einfallendem Licht erzeugen, wenn ein einfallendes Licht Elektronenpaare erzeugt, die 100 mA entsprechen, wie können wir sie begrenzen?

Es gibt zwei Strompfade für einen hypothetischen 100-mA-Photostrom; einer durch den Rückkopplungswiderstand Rf und der andere durch den Eingangspin des Operationsverstärkers.

Das ist wichtig, denn es gibt Schutzdioden von jedem Eingangspin zu den Stromschienen, und diese leiten bei ca. 1 V; Wenn sie mehr als 1 mA leiten, haben Sie den maximal zulässigen Eingangsstrom überschritten und können mit einem Chipausfall rechnen.

Selbst wenn sie NICHT leiten, überschreitet die Verwendung von +5- und -5-V-Versorgungen die zulässige Versorgungsspannung für dieses Gerät (5,5 V absolutes Maximum, und das Schema zeigt 10 V angelegt).

Der Operationsverstärker wird nicht nur gesättigt, er wird verbrennen. Ein Strombegrenzungswiderstand in Reihe mit dem Eingang des Operationsverstärkers wäre ein guter Anfang, und ein Rückkopplungswiderstand, der den gesamten erwarteten Strom verarbeiten wird, selbst in Fällen mit hohem Eingang, wäre zu empfehlen. Halten Sie innerhalb des Datenblattbereichs „absolutes Maximum“ für die angelegte Leistung an den Leistungspins UND den Strom an den Eingangspins.

Die 95mA bleiben in der Diode, dadurch brennt nichts durch. Das Schalten eines Widerstands in Reihe würde die Messung verändern. Wenn dies erforderlich wäre, wäre es besser, einen Widerstand oder eine Diode parallel von - zu gnd hinzuzufügen, da dies einen anderen Pfad bietet und nicht leitet, solange die Rückkopplung funktioniert. Die Auswahl des Rückkopplungswiderstandes hängt vom erwarteten (und nützlichen) normalen Messbereich ab. Sie haben Recht, dass die Leistung die Datenblattgrenzen überschreitet. Der OAP wird dadurch "verglühen".
Diese '95 mA' würden von einer Schutzdiode im Operationsverstärker überbrückt, die für maximal 1 mA ausgelegt ist. Das Hinzufügen eines Widerstands in Reihe mit einem hochohmigen Eingangspin eines Operationsverstärkers ändert NICHTS am Verstärkerausgang im fehlerfreien Zustand, begrenzt jedoch den Strom in den Pin während eines Fehlers.
Ok, die interne OPAMP-Schutzdiode begrenzt den '-'-Eingang auf 1 V, bis er bricht. Die Antwort erklärt nicht, warum sie dies tun wird. Beim Überprüfen der V/I-Kurve der Fotodiode erfahren wir, dass bei einer erzwungenen Sperrspannung der Fotostrom von der Kathode fließen kann.
Der Widerstand in Reihe mit dem OPAMP-Eingang baut jedoch eine Spannung auf, die die Sperrspannung der Fotodiode ändert, was sich auf den Strom und damit auf die Messung auswirkt. Wenn Sie den OPAMP bei 1mA schützen möchten und wir davon ausgehen, dass 5mA dank Rf zulässig und möglich sind, müssten wir einen Vorwiderstand von 5xRf hinzufügen, um den Strom bei 1mA zu begrenzen. Bei 1 mA würde der Spannungsabfall über Rf bei einem Spannungsabfall von 5 V über dem Vorwiderstand etwa 1 V betragen. Ein 4mA Strom ist nicht mehr möglich.
Ein kleiner Widerstand vom '-'-Eingang zur Masse kann den Operationsverstärker schützen und gleichzeitig eine normale Messung ermöglichen. Wenn wir die Spannung auf 1 V bei etwa 100 mA begrenzen wollen, dann beträgt der Maximalwert dieses Widerstands etwa 10 $ \Omega $. Im Normalbetrieb sieht der Widerstand dank der Rückkopplung des Operationsverstärkers wie ein > 100k-Widerstand für die Diode aus.
"Der Widerstand in Reihe mit dem OPAMP-Eingang baut Spannung auf", aber nur, weil der Operationsverstärker Eingangsstrom (Picoamps) durch einen 10-kOhm-Widerstand zieht (dh der Spannungsaufbau liegt unter einem Mikrovolt). Zahlen sind wichtig.
Was passiert, nachdem der Operationsverstärker gesättigt ist
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