Warum sagt LTSpice diese Oszillation des Operationsverstärkers nicht voraus?

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Ich entwickle eine Schaltung als elektronische Last für das Testen von Netzteilen. Eine frühere Frage zum Testen dieser Schaltung erhielt mehrere sehr nützliche Antworten und kann hier gefunden werden: Wie teste ich die Stabilität des Operationsverstärkers? . In dieser Frage geht es darum, wie ich meine Simulations- und Testergebnisse interpretiere.

Dies ist der Schaltplan, der auf dem Steckbrett simuliert und getestet wurde:

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Das von LTSpice erzeugte Diagramm zeigt an, dass die Schaltung ziemlich stabil ist. Beim Anstieg von 5 V tritt ein Überschwingen von 1 mV auf, das sich in einem Zyklus auflöst. Es kann kaum gesehen werden, ohne einiges zu zoomen.

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Dies ist eine Aufnahme desselben Tests mit dem Zielfernrohr auf dem Steckbrett. Der Spannungsanstieg ist viel kleiner und die Periode ist länger, aber der Test ist der gleiche; Einspeisen einer Rechteckwelle in den nicht invertierenden (+) Eingang des Operationsverstärkers.

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Wie Sie sehen, gibt es ein deutliches Überschwingen, vielleicht 20%, dann einen exponentiellen Abfall zu einer stetigen Schwingung für die Dauer des hohen Signals und es gibt ein geringfügiges Überschwingen beim Abfall. Die Höhe des Low-Signals entspricht lediglich dem Grundrauschen (ca. 8 mV). Dies ist das gleiche wie beim Ausschalten des Stromkreises.

So sieht der Breadboard-Build aus:

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Der MOSFET befindet sich oben auf einem Kühlkörper, der durch die gelben, roten und schwarzen Drähte verbunden ist. Gate, Drain bzw. Source. Die roten und schwarzen Drähte, die zum kleinen Proto-Board führen, sind IN + bzw. IN- und an die Bananenbuchsen des Steckbretts angeschlossen, um Strom durch das Steckbrett zu vermeiden. Die im Test geladene Stromquelle ist eine versiegelte Blei-Säure-Batterie (SLA), um Instabilitäten in der Stromquelle selbst zu vermeiden. Der silberne Jumper ist dort, wo die Rechteckwelle von meinem Funktionsgenerator eingespeist wird. Der Widerstand, die Diode usw. unten links ist Teil eines Teilkreises zur manuellen Lastpegeleinstellung (auf Potentiometerbasis) und nicht angeschlossen.

Meine Hauptfrage ist: Warum sagt LTSpice diese signifikante Instabilität nicht voraus? Es wäre sehr praktisch, wenn dies der Fall wäre, da ich dann mein Kompensationsnetzwerk simulieren könnte. So wie es aussieht, muss ich nur ein paar verschiedene Werte einstecken und erneut testen.

Meine Haupthypothese ist, dass die Gatekapazität des IRF540N nicht im SPICE-Modell modelliert ist und ich eine kapazitive Last von ~ 2 nF treibe, die nicht berücksichtigt wird. Ich halte dies nicht für richtig, da ich Kapazitäten im Modell ( http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi ) sehe, die in der richtigen Größenordnung erscheinen.

Wie kann ich mit der Simulation diese Instabilität vorhersagen, damit ich auch meine Kompensationsnetzwerkwerte einstellen kann?

BERICHT ÜBER DIE ERGEBNISSE:

Ok, es stellte sich heraus, dass das LTspice-Modell, das ich für den LM358-Operationsverstärker verwendete, ziemlich alt und nicht ausgefeilt genug war, um den Frequenzgang richtig zu modellieren. Die Aktualisierung auf eine relativ neue Version von National Semi hat die Oszillation nicht vorhergesagt, zeigte aber deutlich das 20% -Überschwingen, mit dem ich etwas anfangen konnte. Ich habe auch die Pulsspitzenspannung geändert, um sie meinem Breadboard-Test anzupassen, wodurch das Überschwingen leichter zu erkennen war:

LTspice-Plot mit besserem LM358N-Modell

Auf der Grundlage dieser "Rückmeldung" begann ich mit der einstimmig empfohlenen Kompensationsmethode, die meines Erachtens ein Beispiel für die Kompensation eines dominanten Pols darstellt . Ich bin nicht sicher, ob der Gate-Widerstand Teil dieses oder eines zweiten Kompensationsschemas ist, aber es hat sich als kritisch für mich herausgestellt. Hier sind die Werte, die ich nach einigem Ausprobieren erhalten habe:

Kompensierter Schaltplan

Dies erzeugte eine sehr stabile Wellenform, obwohl ich den Anstieg und Abfall etwas schärfer machen möchte, wenn ich könnte, um den Frequenzgang der Netzteile, die ich mit dieser Last testen werde, besser zu testen. Daran werde ich später arbeiten.

Compensated LTspice Grundstück

Ich habe dann die neuen Werte auf dem Steckbrett verwendet, und siehe da, ich habe Folgendes bekommen:

Kompensierter Scope Shot

Ich war ziemlich aufgeregt darüber :)

Zumal ich, um in die neuen Komponenten zu passen, die Steckbrett-Parasiten eher verschlimmert als verbessert habe:

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Wie dem auch sei, dieser endete glücklich und hoffe, dass dies anderen hilft, die ihn auf der Suche finden. Ich weiß, dass ich mir die kleinen Haare ausgerissen hätte, die ich beim Versuch, diese Werte einzugeben, zurückgelassen hätte, indem ich verschiedene Komponenten in das Steckbrett gesteckt hätte :)

scanny
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LTSpice versteht die Induktivitäten (auch Drahtbrücken genannt) zwischen Ihrem Steckbrett und dem MOSFET nicht. Es versteht auch nicht den wahrscheinlichen gewundenen Pfad, den 0 V bei Verwendung eines Steckbretts einnimmt. LTSpice WILL modelliert die Gate-Kapazität und es ist auch erwähnenswert, dass der Source-Widerstand einen Widerstand mit mittlerem Wert in Reihe mit dieser Gate-Kapazität schaltet.
Andy aka
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Das von mir verwendete IRF540-Modell (PSpice) enthält eine Bulk-Gate-Kappe von App. 2nF, eine Gate-Source-Kappe von 1,1nF und eine Gate-Drain-Kappe von ca. 0,5 nF. Ich nehme an, die Probleme entstehen durch parasitäre L- und C-Einflüsse auf dem Steckbrett. Sie sollten die belegte Fläche reduzieren (kürzere Anschlussleitungen).
LvW
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Siehe meine Antwort unten (echtes Opamp-Modell und Kompensationsnetzwerk erforderlich).
LvW
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Fügen Sie eine Kappe mit einem niedrigen ESR von 0,1 uF und einer minimal möglichen Serie L vom Operationsverstärker Vcc zur Masse hinzu. Es sieht vielleicht physisch ähnlich aus wie das, das jetzt an Vcc angeschlossen ist, aber ohne die enorme Kopplungsschleife und die langen Steckbrettschienen. Es wird wahrscheinlich von Pin 8 bis Pin 4 über das IC-Gehäuse gesteckt und sieht hässlich aus, funktioniert aber halb unendlich besser. Fügen Sie dann die große Elektrolytkappe über die Stromversorgungsschienen, an denen die Vcc-Leitung in die Stromversorgungsschiene des Steckbretts eintritt, hinzu. Wenn Sie sich dazu bringen können, es vorerst auf hässliche Weise von Pin 4 zu Tin 8 zu verdrahten, könnte das helfen ...
Russell McMahon
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... aber die Wahrscheinlichkeit, dass Sie jetzt 0,1 uF haben (anstelle des vorherigen L + C), wird genug helfen. Wenn das nicht geholfen hat oder nicht genug geholfen hat, versuchen Sie es mit einem 10-Ohm-Widerstand vom Operationsverstärkerausgang zum FET-Gate. Das ist normalerweise, um Dinge zu stoppen, die etwas unechter sind und weniger Grund haben als die Schwingung, die Sie sehen. | Es ist wahrscheinlich ganz unten auf der Liste der wichtigsten Punkte, aber es ist keine schlechte Idee, beide Eingänge des nicht verwendeten Opamps zu erden (wahrscheinlich :-) - dh Murphy hat manchmal andere Ideen). Zurückmelden ... . DANN können Sie sich die "Was ist los mit meiner beabsichtigten Schaltung Q & A, die andere beschäftigen.
Russell McMahon

Antworten:

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Es gibt verschiedene Modelle für das LM358-Gerät. PSpice-Simulationen basierend auf "LM358" ergeben eine Phasenreserve von ca. 50 ... 60 Grad Aber anscheinend ist dies ein sehr einfaches Modell.

Bei Verwendung des Modells LM358 / NS ist der Rand jedoch leicht negativ ! Dies erklärt die beobachtete Instabilität während der Messungen. Daher ist eine externe Stabilisierung des Rückkopplungsschemas erforderlich.

Kompensation : Ein Kompensationsschema (Reihenschaltung R = 500 ... 1000 Ohm und C = 50 ... 100nF) am Operationsverstärker-Ausgangsknoten liefert eine Phasenreserve von ca. 50 Grad (Simulation).

LvW
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Dies war eine wichtige Hilfe. Ich hatte ein LM358 Spice-Modell aus dem Jahr 1989 verwendet, das viel einfacher war als das LM358 / NS-Modell, das ich basierend auf Ihrem Zeiger gefunden habe. Ich habe auch die Amplitude der eingespeisten Rechteckwelle in der Simulation reduziert, um sie meinem Testniveau anzupassen, und zwischen beiden sehe ich jetzt deutlich das Überschwingen von 20% mit einem exponentiellen Abfall im Anstieg. Die Schwingung erscheint nicht auf dem Simulationsplot, aber ich bin im Moment voll zufrieden mit dem Überschwingen und überlege, ob ich das sauber ausgleichen kann. Die Schwingung dürfte damit einhergehen. Ich werde berichten, wie es geht :)
scanny
Können Sie die Platzierung der von Ihnen genannten Vergütungsbestandteile klären? Denken Sie 1 kΩ zwischen dem V.sense-Knoten und dem invertierenden Eingang und 100 nF zwischen dem Operationsverstärkerausgang und dem invertierenden Eingang? Ich glaube, das wäre eine Kompensation für die dominierende Pole, nicht wahr? (nur meine Entschädigungstyp Begriffe
klar
Dank @LvW stellte sich heraus, dass dies das Problem war. Nachdem ich das aktualisierte Modell erhalten hatte, machte ich mich auf den Weg zum Erfolg. Sie erhalten das grüne Häkchen :)
scanny
Scanny, mit dem Rückkopplungskondensator haben Sie jetzt den Operationsverstärker in einen Intergator (Tiefpass mit einer sehr kleinen Eckfrequenz) verwandelt. Dies stabilisiert natürlich die gesamte Schaltung, da die Bandbreite drastisch reduziert wird - mit der Folge einer schlechten Impulsantwort (Anstiegszeit erhöht). In Kontrollsystemen wird diese Methode "Stabilisierung bis zum Tod" genannt. Wenn du damit leben kannst - gut. Wenn nicht, müssen Sie eine etwas "kniffligere" Kompensation versuchen.
LvW
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Wie ich Ihnen in meiner ausführlichen Antwort gesagt habe: RC-Reihenschaltung zwischen Operationsverstärkerausgang und Masse (0,5 ... 1 kOhm und 50 ... 100 nF).
LvW
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Die LTSpice-Simulation kann keine Schaltungselemente berücksichtigen, die Sie nicht eingegeben haben: In diesem Fall Ihre Steckplatinenverdrahtung, die einen Filter hinzufügt (zusätzlich einen RLC-Filter).

Was Sie sehen, ist die Sprungantwort, wenn Sie die (fast) Rechteckwelle in den Verstärker treiben. An dem Punkt, an dem Sie den Eingang zum ersten Mal pulsieren (nachdem Sie ihn längere Zeit ruhig gehalten haben), sehen Sie gedämpfte Reaktionstransienten (die sich in den ersten Schaltzyklen bemerkbar gemacht haben) und nähern sich dann dem, was Sie erwartet hatten.

Obwohl der FET wahrscheinlich eine ausreichend niedrige Kapazität aufweist, damit der Verstärker treiben kann, ist es üblich, die Gatekapazität über einen Widerstand zu entkoppeln. Dies wird ein Tiefpassfilter am Gate des FET bilden, so dass es zu einem Kompromiss zwischen der Schaltungsreaktion und dem Überschwingen des Verstärkers kommt, was Sie sehen, wenn die anfängliche Sprungantwort verschwunden ist. Es gibt auch einen Pol vom invertierenden Eingang zur Referenz (Masse) des Stromkreises, und es ist üblich, einen kleinen Kondensator in der Rückkopplungsschleife mit ungefähr derselben Kapazität zu sehen, um dies zu kompensieren.

Der Wert, den Sie verwenden sollten, ist vom Schaltungslayout abhängig, aber in diesem Fall würde ich mit etwa 100 pF beginnen (auf einer ordnungsgemäß ausgelegten Platine würde dieser Wert eher 5 pF bis 10 pF betragen).

Beim Klingeln des Verstärkers enthält das Datenblatt möglicherweise Diagramme, in denen Überschwingen / Unterschwingen im Vergleich zu verschiedenen kapazitiven Lasten dargestellt sind. Dies ist in modernen Verstärker-Datenblättern durchaus üblich.

HTH

Peter Smith
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Ich hätte ein solches Schema nicht angewandt. Dieses Schema kann leicht in einen Stall umgewandelt werden. Zwischen dem Ausgang und dem Gate des Transistors liegt der Widerstand R1 = 1kOhm. Zwischen der Source des Transistors und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers liegt ein Widerstand R2 = 10kOhm. Zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers liegt ein Kondensator C1 = 1000pF.

Alexander
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Danke Alexander, diese Werte waren ein guter Ausgangspunkt und dann habe ich sie von dort eingestellt :)
scanny