Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wzmacniacze transimpedancyjne o programowanym wzmocnieniu - część 3

ghost666 09 Lip 2013 09:44 4086 2
  • Dobór elementów dyskretnych do układu w celu zagwarantowania jego stabilności

    W poniższej analizie posłużymy się pokazanym poniżej schematem modelowego układu wzmacniacza TIA do fotodiody.

    Wzmacniacze transimpedancyjne o programowanym wzmocnieniu - część 3


    Funkcja przejścia tego wzmacniacza charakteryzuje się jednym biegunem przy częstości 28 Hz pochodzącym z odpowiedzi wzmacniacza operacyjnego pracującego w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (wartość ta pochodzi z karty katalogowej układu). Drugi biegun tej funkcji zależny będzie od opornika w sprzężeniu zwrotnym i pojemności pasożytniczej znajdującej się w fotodiodzie. Dla komponentów wybranych przez nas biegun ten znajdować się będzie przy częstości 1 kHz, co wyznaczone jest poniższym równaniem:

    Wzmacniacze transimpedancyjne o programowanym wzmocnieniu - część 3(1)


    Gdy zwrócimy uwagę że oporność Rsh jest o dwa rzędy wielkości większa od Rf, możemu równanie pierwsze uprościć do postaci:

    Wzmacniacze transimpedancyjne o programowanym wzmocnieniu - część 3 (1a)


    Każdy z biegunów powoduje odwrócenie się fazy o dziewięćdziesiąt stopni w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego co skutkuje odwróceniem się fazy o pełne sto osiemdziesiąt stopni w momencie gdy charakterystyka przekracza wartość 0 dB. Jak pokazano na wykresach zależności fazy od częstotliwości brak marginesu fazy spowoduje, niemal na pewno, powstanie oscylacji w układzie.

    Aby uczynić pracę układu stabilną możemy dodać do funkcji przejścia miejsce zerowe poprzez umieszczenie, równolegle z oporem Rf w sprzężeniu zwrotnym, pojemności Cf. Miejsce zerowe spowoduje zmianę nachylenia charakterystyki układu w okolicy miejsca przejścia przez wartość 0 dB z 40 dB/dekadę do 20 dB/dekadę. Taka zmiana da nam pozytywny margines fazy. W naszym projekcie, w celu zapewnienia stabilnego działania, zapewnić musimy sobie margines fazy nie mniejszy niż 45°. Wyższy margines fazy zapewni nam stabilniejsze działanie układu, ale kosztem czasu odpowiedzi. Miejsce zerowe dodane w funkcji przejścia wzmacniacza z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego zamieni się w biegun analogicznej funkcji dla układu z zamkniętą pętlą. Zatem odpowiedź z 'otwartej pętli' zmniejszy się wraz z zwiększaniem się pojemności Cf. Na poniższym równaniu pokazano w jaki sposób można wyznaczyć wartość tej pojemności:





    Wzmacniacze transimpedancyjne o programowanym wzmocnieniu - część 3 (2)


    Gdzie fu to częstotliwość graniczna (z wzmocnieniem równym jeden) dla użytego wzmacniacza operacyjnego.

    Wartość pojemności Cf determinuje rzeczywistą, najwyższą częstotliwość pracy układu. Jakkolwiek możliwa jest praca z mniejszą pojemnością w celu zapewnienia sobie większego pasma pracy kosztem marginesu fazy jednakże spowodować to może niekorzystne oscylacje podczas przełączania w sygnale wyjściowym, tak zwane 'dzwonienie'. Pamiętać także należy iż wszystkie używane elementy dyskretne charakteryzują się pewną tolerancją parametrów co oznacza rozrzut ich wartości rzeczywistych. Musimy zagwarantować stabilność układu w możliwie najgorszych warunkach. Na przykład jeśli wybierzemy Cf = 4.7 pF, pasmo w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego wyniesie 34 kHz, co jest wartością dosyć typową do układów pracujących w urządzeniach spektroskopowych.

    Poniższy obrazek pokazuje odpowiedź układu w funkcji częstotliwości z otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Jakkolwiek faza spada poniżej trzydziestu stopni zachodzi to kilka dekad od miejsca gdzie charakterystyka przechodzi przez 0 dB co oznacza że układ zachowywać się będzie stabilnie.

    Wzmacniacze transimpedancyjne o programowanym wzmocnieniu - część 3

    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/47-05/pgtia.html


    Fajne!
  • #2 09 Lip 2013 12:57
    nukedman
    Poziom 12  

    ghost666 napisał:

    Jakkolwiek faza spada poniżej trzydziestu stopni zachodzi to kilka dekad od miejsca gdzie charakterystyka przechodzi przez 0 dB co oznacza że układ zachowywać się będzie stabilnie.

    Niezbyt rozumiem, dlaczego fakt że dzieje się to daleko od wzmocnienia 0dB to jest to sytuacja bezpieczna. Przecież warunek wzbudzienia to wzmocnienie większe lub równe jeden, a nie dokładnie równe jeden. Tutaj dla tych prawie 20 stopni jest aż 60dB...

  • #3 10 Lip 2013 10:57
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    nukedman napisał:
    ghost666 napisał:

    Jakkolwiek faza spada poniżej trzydziestu stopni zachodzi to kilka dekad od miejsca gdzie charakterystyka przechodzi przez 0 dB co oznacza że układ zachowywać się będzie stabilnie.

    Niezbyt rozumiem, dlaczego fakt że dzieje się to daleko od wzmocnienia 0dB to jest to sytuacja bezpieczna. Przecież warunek wzbudzienia to wzmocnienie większe lub równe jeden, a nie dokładnie równe jeden. Tutaj dla tych prawie 20 stopni jest aż 60dB...


    Chyba chodzi o wzmocnienie samej pętli, a nie układu. Przyznam szczerze że specjalistą w tej dziedzinie nie jestem, ale to już kolejny artykuł w którym pisze się o przekraczaniu wartości 0 dB przez charakterystykę jako miejscu pozwalającym na estymację stabilności.