Frage:
Differenzielle Eingangsspannung für maximale Anstiegsgeschwindigkeit in Operationsverstärkern erforderlich
pipe
2016-10-04 01:08:41 UTC
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Heute bin ich auf ein Problem mit der Anstiegsrate des Operationsverstärkers gestoßen, als ich mit einem Design gespielt habe, bei dem ein Operationsverstärker viel Zeit mit Sättigung verbringt, nur um gelegentlich "herunterzufahren" und den Ausgang zu regulieren.

(Ich simuliere dies mit LTspice, und die Operationsverstärker werden etwas willkürlich ausgewählt, aber es sollte die Frage nicht beeinflussen.)

Hintergrund

Ich wollte die Anstiegsrate erhöhen, um die Zeit zu minimieren, die für das Verlassen der Sättigung und den Aktivierungsmodus aufgewendet wurde. Als ich jedoch den langsameren LT1013 durch ein Modell des TL074 ersetzte, wurde die Anstiegsgeschwindigkeit erhöht Die Rate meines Signals stieg nicht wesentlich an. Selbst wenn die positiven und negativen Eingänge des TL074 deutlich mindestens 50 mV voneinander entfernt waren, erreichte er nicht die volle Geschwindigkeit. Dies ist viel mehr als die maximale Eingangsspannungsdifferenz. Ich habe auch überprüft, dass es nicht durch den Ausgangsstrom begrenzt ist, aber nichts dort.

Lösung?

Nach vielen Kopfkratzern stelle ich fest, dass dies daran liegt, dass die Eingänge nicht weit genug voneinander entfernt sind. Nachdem ich diesen Effekt noch nie zuvor gesehen oder zumindest nicht zu viel darüber nachgedacht hatte, ging ich davon aus, dass der Operationsverstärker sein Bestes geben wird, um den Ausgang zu ändern, solange die Eingänge einigermaßen unterschiedlich sind.

Ich erinnere mich auch daran, dass ich in The Art of Electronics etwas darüber gelesen habe, und als ich es nachgeschlagen habe, ist dies so ziemlich alles, was es zu diesem Thema zu sagen hat:

5.8.1 Anstiegsgeschwindigkeit: Allgemeine Überlegungen

... Eine zweite Konsequenz lässt sich am besten anhand eines Diagramms der Anstiegsgeschwindigkeit gegenüber dem Differenzeingangssignal erklären (Abbildung 5.12). Hierbei ist zu beachten, dass eine Schaltung, die eine erhebliche Anstiegsgeschwindigkeit erfordert, mit einem erheblichen Spannungsfehler an den Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers arbeiten muss.

Slew rates for BJT and JFET

Abbildung 5.12. Eine erhebliche differentielle Eingangsspannung ist erforderlich, um die volle Anstiegsrate des Operationsverstärkers zu erzeugen, wie in diesen gemessenen Daten gezeigt. Bei Operationsverstärkern mit BJT-Eingang sind ca. 60 mV erforderlich, um die volle Anstiegsgeschwindigkeit zu erreichen. für JFETs und MOSFETs ist es eher wie ein Volt.

Bingo. TL074 ist ein Operationsverstärker mit JFET-Eingang. Ich habe meine Schaltkreise angepasst, um eine höhere Differenzspannung zu erhalten, und das hat das unmittelbare Problem gelöst. Eine separate Simulation ergab ähnliche Ergebnisse wie diese Abbildung und zeigte, dass die Modelle in LTspice zumindest einigermaßen realitätsgetreu sind.

Die erhöhte Differenzspannung verursacht jedoch andere Probleme, die ich vermeiden möchte.

Frage

... oder mehrere verwandte Fragen. Ich suche nicht unbedingt nach Antworten auf jede von ihnen, sondern vielleicht eher nach einer allgemeinen Erklärung.

  • Hängt dieser Effekt von etwas anderem als der JFET / BJT-Eingangsstufe ab?
  • Gibt es Eingangsstufen, bei denen eine noch niedrigere differentielle Eingangsspannung zur maximalen Anstiegsgeschwindigkeit führt? Vielleicht eine Art Hybrid?
  • Auch wenn es nur zwei Typen gibt, haben verschiedene Operationsverstärker desselben Typs (z. B. BJT) unterschiedliche Pegel?
  • ... wenn ja, ist dies aus dem Datenblatt ersichtlich?

Ich konnte im TL074-Datenblatt nichts dazu finden, aber das ist natürlich nur eine einzige Stichprobe.

Etwas verwandt, gibt es eine gemeinsame Lösung, oder würde ich hier stattdessen nach Komparatoren suchen? Ich könnte im endgültigen Design mit einer Art Komparator arbeiten, aber ich finde dieses Problem immer noch interessant.

Wäre es hilfreich, wenn Sie nicht in die Sättigung gehen würden, aber gerade genug negative Rückkopplung hätten, um eine Sättigung zu verhindern (ohne einen anomolen Schaltungsbetrieb zu verursachen, da die Sättigung nicht ganz erreicht ist).
@Andyaka Meinst du etwas mit Zenerdioden, so dass der Ausgang auf eine niedrigere Spannung begrenzt ist?Ich habe das versucht und es hat geholfen, aber es hat einige andere Probleme verursacht.Irgendwann werde ich mit meiner eigentlichen Schaltung eine separate Frage dazu stellen, da ich nicht genau herausfinden konnte, wie ich sie anschließen soll.Ich muss noch ein paar Tage darauf schlafen.
Ja, das meine ich - d. H. Halten Sie es vom Sitzen fern, aber in einem sicheren Bereich.
Was Sie brauchen, um ernsthafte Anstiegsraten zu erreichen, wechseln Sie zu Komparatoren (kein Wortspiel beabsichtigt) und dann zu ECL-Komparatoren mit SR = 1600 V / us, die 0,8 V in 500 ps in 50 Ohm umschalten, wie beim MAX9691
Nachdem ein Operationsverstärker einige Zeit in der Sättigung verbracht hat, tritt in seiner Eingangsstufe ein thermischer Versatz auf, da einer der Transistoren den gesamten Strom führt.Abhängig vom Opamp kann dies zu seltsamen Effekten führen und die Einstellung um ein Vielfaches verzögern, als Sie vielleicht denken.
Fünf antworten:
#1
+5
Spehro Pefhany
2016-10-04 02:06:47 UTC
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Normalerweise führt ein Übersteuern des Eingangs zu einer längeren Zeit, um die Sättigung zu verlassen.Beachten Sie, dass die Anstiegsgeschwindigkeit nicht eng mit dieser Zeit verbunden ist und einige Operationsverstärker 50 usec oder länger lang herumknebeln können, bevor sie sich entscheiden, die Sättigung zu verlassen.

Ich schlage vor, Sie verwenden einen Operationsverstärker, der für Ihre (ab) Verwendung spezifiziert ist, wie z. B. den AD8067.Diese bestimmte ist möglicherweise nicht für Sie geeignet (Verstärkung muss aus Stabilitätsgründen> = 8 sein), aber die Zeit bis zum Verlassen der Sättigung is ist angegeben und es ist vernünftig (~ 200 ns) mit erheblichem Overdrive.

Ich glaube nicht, dass ich den SPICE-Modellen vertrauen würde, um die Wiederherstellung der Sättigung unbedingt genau zu modellieren.Es könnte viel schlimmer sein, als die Simulation implizieren würde. Überprüfen Sie dies durch Tests.

_ "Ich glaube nicht, dass ich den SPICE-Modellen vertrauen würde, um die Sättigungswiederherstellung unbedingt genau zu modellieren." _, Danke, das werde ich auf jeden Fall berücksichtigen.Ich versuche, die Ergebnisse nicht zu ernst zu nehmen, aber es ist leicht, sich mitreißen zu lassen.
#2
+4
Mario
2016-10-04 16:14:56 UTC
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Hängt dieser Effekt von etwas anderem als dem JFET / BJT-Eingang ab? Bühne?

Das Schwenken kann in jeder Stufe eines OpAmp erfolgen, es kann in der Eingangsstufe, der Ausgangsstufe und einer der Zwischenstufen erfolgen. Es tritt immer dann auf, wenn ein Kondensator von einer festen Stromquelle angesteuert wird. Für eine gegebene Konfiguration legt eine Stufe die Grenze fest und bestimmt die Anstiegsgeschwindigkeit. Oft ist dies tatsächlich die Eingangsstufe.

Eine typische Eingangsstufe besteht aus einem Differenzpaar mit einer Schwanzstromquelle. Im Gleichgewicht teilt sich der Strom der Schwanzstromquelle gleichmäßig und nimmt bei starker Ansteuerung des Transistors den gesamten Strom auf. Die erforderliche Spannung zum (fast) Ausschalten eines der Transistoren bestimmt den Beginn des Schwenkens. Es ist eine feste Spannung für BJTs und eine variable Spannung für FETs.

Wenn in der Ausgangsstufe ein Schwenken auftritt und die Ausgangsstufe nicht symmetrisch ist (z. B. Klasse A), können unterschiedliche Anstiegsraten für fallende und ansteigende Flanken auftreten.

Gibt es Eingangsstufen mit einer noch niedrigeren differentiellen Eingangsspannung? führt zur maximalen Anstiegsgeschwindigkeit? Vielleicht eine Art Hybrid?

Ich kenne keine handelsüblichen Geräte, die dies tun, aber es gibt sicherlich adaptiv vorgespannte OpAmps, die den Strom durch die Eingangsstufe erhöhen, um das Schwenkverhalten zu verbessern.

Auch wenn es nur zwei Typen gibt, machen Sie verschiedene Operationsverstärker desselben Typ (sagen wir BJT) haben unterschiedliche Ebenen?

BJTs haben einen festen Pegel, es sei denn, die Emitterdegeneration wird verwendet und FETs können unterschiedliche Pegel haben.

Jede Antwort hier gab mir gute Informationen, aber ich denke, dies beantwortete meine unmittelbaren / wörtlichen Fragen, daher das kleine grüne Häkchen.
#3
+3
LvW
2016-10-04 17:10:11 UTC
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Ich weiß nicht, ob das Folgende helfen und / oder einige Ihrer Fragen beantworten kann. Trotzdem

  • Die Anstiegsgeschwindigkeit wird spezifiziert und gemessen, wobei eine Rückkopplung angewendet wird (normalerweise 100% Rückzahlung mit einer Verstärkung von eins im geschlossenen Regelkreis); In Ihrem Beitrag konnte ich keine Erwähnung von Feedback finden.

  • Unter der Annahme eines 1-V-Eingangsschritts steigt der Ausgang ebenfalls auf 1 V - jedoch mit einer gewissen Verzögerung, da das Rückkopplungssignal NICHT sofort bei der Inv ankommt. Eingabe, jedoch mit einer Verzögerung von einigen µs.

  • Infolgedessen wird die erste Stufe (Diff. Verstärker) durch den Eingangsschritt übersteuert und die gesättigten Eingangstransistoren werden als Schalter betrieben.

  • Daher wird der Kompensationskondensator in der zweiten Stufe mit einer konstanten Spannung aufgeladen, bis das Rückkopplungssignal nicht mehr geladen wird, weil die Eingangsstufe wieder in den linearen Betrieb gebracht wird (Gleichgewicht durch Rückkopplung hergestellt).

  • Dieser Ladevorgang führt (und bestimmt) die Schwenkeigenschaften des Verstärkers.

  • Aus dem Obigen können wir ableiten, dass der Eingangsschritt groß genug sein muss, um die erste Stufe des Verstärkers (ohne Rückkopplung) sicher in die Sättigung zu bringen.

#4
+2
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
2016-10-04 01:33:16 UTC
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Die Anstiegsgeschwindigkeit wird normalerweise durch die verfügbare Strom- und Ausgangskapazität des Treibers begrenzt, einschließlich interner Verbindungen.

Wie viel Differenzspannung wird benötigt?

Bei einer Anstiegsgeschwindigkeit von x V / us und einer Anstiegszeit von 0,35 / f und einem BW mit geschlossenem Regelkreis von GBW / Av für einen Regelkreisgewinn von Av

Was ist nun das minimale Eingangssignal Vpp, um die angegebene Anstiegsrate zu überschreiten?

Nun, das hängt von der Eingangsfrequenz und der Verstärkung ab, aber normalerweise ist es gut übersteuert, die Nenn-Anstiegsrate zu bestimmen, und diese Anstiegsrate ist strombegrenzt und hängt von der internen und externen Lastkapazität ab.

dV / dt = Ic / C

Wenn SR = 13V / us für C = 100pF eingeben, was ist Iout max? enter image description here Ic = 1e-10 · 13e-6 = 1,3 mA

Aber warten Sie, es gibt keine Spezifikation für den Ausgangsstrom.

enter image description here Wenn wir jedoch den maximalen Ausgangsschwingpunkt von 50% Vpp verwenden, um den äquivalenten Ausgangswiderstand zu bestimmen, erhalten wir 220 Ohm, die in der Lage sind, + / 7 V zu schwingen, angepasst an interne Verluste.

Wir können daher nur den Schluss ziehen, dass der Ausgang NICHT strombegrenzt ist, sondern einige interne Stufen, in denen er strombegrenzt ist.

#5
+1
analogsystemsrf
2017-03-30 16:51:02 UTC
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Unterschiedliche Eingangsdifferenzpaare erzeugen unterschiedliche lineare Eingangsbereiche.Der Wechsel zu FETs ermöglicht andere Freiheitsgrade (Gate-Breite / Länge).Der UA715 verwendet eine bipolare Emitterdegeneration, um ein schnelles Absetzen zu erreichen.Hier sind typische Eingabedifferenzen:

schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>



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