Comment garder l'ampli op décompensé dans une région linéaire?

Contexte

Pour les applications de transimpédance, vous souhaitez conserver les amplis op dans leur région linéaire et éviter la saturation des amplis op et la récupération de l'overdrive.

Cela peut être fait avec un simple circuit de contrôle automatique du gain lors de l'utilisation d'un ampli op stable à gain unitaire, par exemple

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Lorsque la diode s'allume, la réponse en boucle fermée conserve la même bande passante, mais son amplitude est diminuée. Le facteur de rétroaction haute fréquence Cfeedback / (Cfeedback + Cin) approche 1, mais ce n'est pas un problème car l'ampli op est stable à gain unitaire. J'ai implémenté cela avec un OPA656, et cela fonctionne bien.

Cela ne fonctionnera pas avec un amplificateur décompensé. Il oscille lorsqu'il y a trop de rétroaction haute fréquence. J'ai vu cela avec l'OPA846.

Question

Comment garder un amplificateur décompensé dans sa région linéaire dans une application de transimpédance?

J'ai essayé de simuler le circuit ci-dessous, dans l'espoir que la commutation d'une capacité d'entrée supplémentaire réduirait le retour haute fréquence, mais les résultats sont médiocres.

^{simuler ce circuit}

Les valeurs des composants dans les schémas ne sont pas celles que j'utilise dans mon circuit réel. Ce sont des valeurs rondes pour simplifier la discussion du circuit, par exemple le facteur de rétroaction haute fréquence du premier circuit lorsque la diode est éteinte est 1/101. Mes valeurs réelles de composants sont réglées pour une vitesse maximale, près du bord de stabilité, pas exactement connues en raison des parasites de la carte, et distraireaient de la question.

Si votre amplificateur se comporte bien à de faibles niveaux de courant avec l'OPA846 et que le problème ne se produit qu'à des niveaux élevés, je pense que vous auriez trois possibilités:

1) Réduisez R1 pour avoir moins de gain de transimpédance: il y aura plus de portée pour le courant, mais vous perdrez la résolution (amplification).

2) Réglage du circuit de limitation de gain (R2, C2, D1 du premier schéma de votre question): Si ce circuit fonctionne bien avec l'OPA656, vous pouvez peut-être également le faire fonctionner avec l'OPA846. Essayez de changer R2, afin que la branche de contrôle de gain ne rende pas le circuit instable.

3) Ajoutez plus de compensation au circuit en modifiant C1 ou en augmentant C3. J'ai l'impression que si le circuit fonctionne bien avec l'OPA656, mais a des problèmes avec l'OPA846, cela pourrait être un problème de compensation.

Pour autant que je sache, il peut être difficile de penser à un circuit de limitation de courant pour la photodiode, car les amplitudes de tension impliquées sont généralement très faibles.

Le second aurait probablement fonctionné si Q1 était plutôt un MOSFET. Les deux introduisent une non-linéarité substantielle près du seuil. Voici une alternative.

Quelque chose comme ça:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Où R3 / R4 (hystérésis) et R6 (chargement) doivent être choisis pour éviter d'osciller entre le mode à gain élevé et le mode à faible gain lorsqu'ils sont proches du seuil.

Vous devrez probablement ajuster la façon dont les fets sont entraînés (le courant de grille est amplifié D :).

Observations générales

Tous les OPAMP ont un gain en boucle fermée minimum.

Les OPAMP sont compensés pour garantir une marge de phase minimale à leur gain minimum spécifié (généralement 0,1).

Si vous voulez à la fois la vitesse élevée ET la stabilité avec un OPAMP non compensé et un faible gain, vous devez vous compenser.

En ce qui concerne la linéarité: le feedback assure la linéarité, pas tant la linéarité de la boucle ouverte de l'ampli lui-même.

Observations spécifiques

Le problème se produit à cause de l'AGC - avec un gain élevé, tout va bien, mais avec un gain faible, ce n'est pas le cas. Vous devez donc vous assurer que vous avez toujours un gain élevé du point de vue de l'AOP, ou vous devez compenser l'ampli op dans ces cas.

1. Vous pouvez essayer de diminuer votre niveau d'entrée plutôt que de diminuer le gain.
2. Vous pouvez essayer d'ajouter une compensation lors de la réduction du gain.

Dans votre schéma avec Q1, je note que Q1 ne conduirait pas normalement car la tension de sortie est normalement supérieure à la tension d'entrée. Mais quand en raison de l'oscillation, la tension de sortie devient inférieure à l'entrée, la rétroaction augmente en fait parce que vous compensez le courant d'entrée - c'est la rétroaction! Vous baissez donc le gain et amenez l'OPAMP dans la région instable.

Suggestions

Pour réduire l'entrée, vous pouvez ajouter une diode normale en mode direct. Il conduira peu lorsque le récepteur a une sortie faible, et davantage lorsque la sortie du récepteur est élevée - agissant donc comme un AGC. Il faudra un peu de simulation et de sélection de diode pour trouver l'optimum. Ce n'est pas un retour de l'OPAMP donc cela n'a pas d'impact sur son gain en boucle fermée.

Un autre problème avec votre méthode utilisant Q1 est que l'analyse du petit signal s'applique à tout. Je pense que vous devriez avoir un circuit redresseur pour avoir un retour moyen. Si le retour AGC est un courant basse fréquence, il n'augmente pas votre retour haute fréquence plus que les basses fréquences.

Afin de maintenir votre rétroaction haute fréquence basse, vous devez bloquer le chemin de rétroaction plus élevé pour les hautes fréquences. Vous pouvez ajouter une inductance en série du chemin de rétroaction, ou probablement ajouter un condensateur de dérivation à la terre dans votre chemin de rétroaction.

L'ajout d'une compensation pour les hautes fréquences uniquement lorsque le gain est faible semble plus difficile. Un condensateur à tension variable pourrait aider à adapter un filtre RC au niveau du signal, mais il semble plus difficile à régler.

J'espère que ces pensées vous aideront.