High Power Operational Amplifier Stability in Piezo Driving Circuits

Abstract

Tämän insinöörityön tarkoitus oli varmistaa Vaisalan ultaäänellä toimivan tuulianturin toiminta toisen lähteen operaatiovahvistimilla pietsojen käyttövirtapiirissä. Tuotteen pitkän elinkaaren vuoksi ennakoiva toisen lähteen komponenttien löytäminen on tärkeää jatkuvan tuotannon takaamiseksi. Insinöörityössä tutkittiin ratkaisuja piirille valituissa potentiaalisissa toisen lähteen operaatiovahvistimissa kohdatulle epävakaudelle.

Epävakauden ymmärtämiseksi suoritettiin ensin simulointi ja testaus. Operaatiovahvistimien tekniset tiedot käytiin huolellisesti läpi, mutta kriittisiä eroja ei löytynyt alkuperäisen operaatiovahvistimen ja toisen lähteen operaatiovahvistimen välillä, mitkä selittäisivät eron toiminnassa. Potentiaalisia vaihtoehtoja toisen lähteen operaatiovahvistimille tutkittiin, mutta vaadittavia ominaisuuksia vastaavia ei ollut saatavilla. Useita kompensaatiokeinoja testattiin, mutta ne eivät tuottaneet hyväksyttäviä tuloksia. Myös syöttöjännitettä muutettiin, mutta sekään ei tuottanut parannusta.

Viimeiseksi eri muuntajaa testattiin alkuperäisen muuntajan paikalle. Toisen lähteen operaatiovahvistin osoittautui vakaaksi tämän uuden muuntajan kanssa. Alkuperäisen operaatiovahvistimen kanssa signaalissa oli kuitenkin merkittäviä piikkejä, todennäköisesti maadoitusongelmien takia, minkä vuoksi se tarvitsee lisää testausta. Epävakaus johtui todennäköisesti siitä, ettei alkuperäinen muuntaja toiminut ihanteellisesti piirin käyttötaajuudella, sillä se oli suunniteltu korkeammalle taajuudelle. Uudella muuntajalla oli myös pienempi käämityssuhde, mikä vähensi operaatiovahvistimen kuormitusta. Ratkaisu tarvitsee vielä lisätestausta sen toiminnan varmistamiseksi tuotteen koko lämpötila-alueella.

This study was carried out to ensure the proper operation of Vaisala’s ultrasonic wind sensor with second source operational amplifiers in the piezo driver circuit. Due to the long lifecycle of the product, proactive second sourcing is important to ensure continuation of supply. The thesis work investigated solutions for instability encountered in the potential second source operational amplifiers that were picked out for this application.

Simulation and testing were first done to better understand the instability. The operational amplifier datasheets were looked through thoroughly, but no critical differences were found to explain the disparity in operation between the original operational amplifier and the second source. Potential alternative second source operational amplifiers were investigated, but none that matched the required characteristics were available. Multiple compensation techniques were then tested, but none yielded acceptable results. The supply voltage was also modified, but this did not provide improvement.

Finally, a different transformer was tested in place of the initial transformer. The second source operational amplifier proved to be stable with this new transformer. The original operational amplifier, however, had significant peaking, likely due to grounding issues, and needs to be further tested. The instability was most likely caused by the initial transformer not working ideally at the operating frequency due to being designed for a higher frequency. The new transformer also had a smaller winding ratio, which reduced the heaviness of the load on the operational amplifier. The solution will need further testing to verify operation over the temperature range of the product.