Operationsverstärker + Mosfet = Stromquelle. Warum brauchen wir einen Rückkopplungswiderstand?

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Der Rückkopplungswiderstand wird benötigt, um den Fehler der Eingangsströme zu kompensieren? So wählen Sie den Widerstand R2.

Schaltungsquelle

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Widerstand R2.

Kann ich diese Schaltung als Operationsverstärker mit einem differentiellen Eingangsspannungsbereich von +/- 0,6 V verwenden? Ich bin mir nicht sicher. Ich denke nicht

AndreyB
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Eine sehr vollständige Diskussion dieser Art der linearen Stromversorgung wird in einem anderen Forum veröffentlicht .
user2943160

Antworten:

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R2 (10k R4 in meinem Diagramm) dient dazu, zusammen mit C1 (1nF Kondensator) einen Miller-Integrator zu bilden, um unerwünschte Schwingungen zu verhindern. Und ja, diese Schaltung schwingt manchmal, hauptsächlich aufgrund des schlechten PCB / Breadboard-Designs. Und hier haben Sie ein Beispiel aus der realen Welt (das Steckbrett).

Ohne die Miller-Kapazität: Schaltplan und Kurve mit Schwingung

Und nachdem ich die Miller-Kapazität in die Schaltung eingefügt habe: Schaltplan und Kurve, diesmal mit flacher Ausgabe

http://www.ecircuitcenter.com/Circuits_Audio_Amp/Miller_Integrator/Miller_Integrator.htm

BEARBEITEN

Heute teste ich diese Schaltung noch einmal. Und das Ergebnis ist: Für RG = 0 Ohm ; RF = 10 kOhm ohne Miller-Kapazitätsschaltung schwingen (I_Last von 1 mA bis 1A).

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Aber Überraschung Überraschung Wenn ich den HF-Widerstand (10K) kurzschließe, verschwinden die Schwingungen auf magische Weise (selbst wenn RG = 1K Ohm).

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Es scheint also, dass die Hauptursache für eine Schwingung in meiner Schaltung ein Rückkopplungswiderstand war. Ich vermute, dass HF zusammen mit der Eingangskapazität des Operationsverstärkers und einer parasitären Kapazität der Schaltung einen Pol (Verzögerung) hinzufügt und die Schaltung zu schwingen beginnt.
Ich ändere sogar den Operationsverstärker auf "viel schneller" (TL071). Und die Ergebnisse waren fast gleich, außer dass die Frequenz der Schwingungen viel höher war (713 kHz).

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G36
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Wenn Sie R2 (Gate-Widerstand) auf weniger als zehn Ohm reduziert haben, schwingt es dann? Haben Sie gedacht, dass die Verwendung eines Gate-Widerstands ein Problem verursacht, das Sie dann mit einem zusätzlichen Widerstand und Kondensator lösen müssen? Wie bildet R2 mit C1 einen Müllerkondensator? C1 entkoppelt die Versorgung gemäß Ihren Bildern.
Andy aka
@Andy aka Morgen morgen werde ich versuchen, etwas Zeit zu finden und ich versuche es zu überprüfen. Ich bezog mich auf AndreyB Schaltung.
G36
@ G36, Kann ich diese Schaltung verwenden, Operationsverstärker mit differenziellem Eingangsspannungsbereich = +/- 0,6 V? Ich bin mir nicht sicher. Ich denke nicht.
AndreyB
@AndreyB nein, diese Schaltung funktioniert nicht mit "Differenzeingangsspannungsbereich".
G36
@Andy aka For RG = 0; RF = 10 kOhm Die Schaltung schwingt. Aber keine Schwingungen, wenn RG = 0 Ohm oder 1K, sondern RF = 0 Ohm. Ich versuche RF 1K und 10K und in beiden Fällen verhält sich die Schaltung schlecht.
G36
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Sie benötigen keinen Rückkopplungswiderstand und C1 auch nicht. Ich denke, der "Designer" hat eine seltsame Wahrnehmung, dass die Schaltung ohne sie schwingen wird, aber das wird nicht.

  • Eine Oszillation tritt auf, wenn Q1 eine Verstärkung liefert - nicht, weil es sich um einen Quellenfolger handelt.
  • Eine Oszillation tritt auf, wenn Q1 eine signifikante Phasenverschiebung erzeugt, und dies ist eher eine Möglichkeit, aber immer noch unwahrscheinlich, wenn der Wert von R1 (Gate-Widerstand) niedrig gehalten wird.

Aufgrund der Anwesenheit von R3 ist R1 wahrscheinlich überflüssig für Anforderungen.

Hier ist eine Beispielschaltung von Analog Devices: -

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Ich sehe die beiden Widerstände und den Kondensator in diesem Schema nicht. Wenn Sie für diese Anwendung einen schlechten Operationsverstärker (aufgrund von Eingangsversatzspannungen, die zu Ungenauigkeiten im Strom führen) wie den LM358 verwenden, sollten Sie einen Bipolartransistor verwenden, wie im Datenblatt auf Seite 18 gezeigt: -

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Ich glaube jedoch, dass es mit einem MOSFET funktioniert, vorausgesetzt, Sie verwenden keinen Gate-Widerstand (oder einen sehr kleinen). Es gibt viele Beispiele für die Verwendung des LM358 mit MOSFETs ohne alle "Extras": -

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Andy aka
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Ich bin damit einverstanden, dass R1 überflüssig ist, aber C1 ist notwendig, wenn der Operationsverstärker nicht stabil ist. Das wäre hier eine seltsame Wahl, da es in der Einheitsverstärkungskonfiguration verwendet wird, aber das kann passieren, wenn Sie einen nicht verwendeten Verstärker in einem Paket haben. Sobald Sie entschieden haben, dass C1 erforderlich ist, benötigen Sie R2, damit es funktioniert, da R3 wahrscheinlich einen sehr geringen Widerstand aufweist.
Olin Lathrop
@OlinLathrop guter Punkt
Andy aka
@Olin Lathrop, bitte erkläre mehr.
AndreyB
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@AndreyB Olin bezieht sich auf Operationsverstärker, die nicht stabil sind. Die meisten Operationsverstärker sind natürlich, aber (vielleicht) 1% sind speziell als Spannungsverstärker bei hohen Frequenzen ausgelegt, und bestimmte interne Stabilitätskomponenten sind nicht vorhanden, um größere Bandbreitenmöglichkeiten zu bieten.
Andy aka
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Dies ist eine Standardkonfiguration für die Handhabung einer kapazitiven Last wie langer Kabel (innerhalb einer Standardkonfiguration für Stromsenken).

Der Zweck von R1 / R2 / C1 besteht darin, den Operationsverstärkerausgang von der kapazitiven Last zu entkoppeln, die durch die MOSFET-Gate / Source-Kapazität in Reihe mit R3 dargestellt wird .

Es ist nicht erforderlich, wenn R3 im Vergleich zur Open-Loop-Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers (zwischen 8 und 70 Ohm für gewöhnliche Operationsverstärker ** mit Versorgungsströmen im Bereich von ~ 1 mA pro Verstärker) erheblich groß ist oder der MOSFET eine niedrige Eingangskapazität hat. oder wenn der Operationsverstärker für die Arbeit mit einer großen oder unbegrenzten kapazitiven Last ausgelegt ist (wenn eine dieser drei Bedingungen erfüllt ist).

R1 isoliert die Last, während C1 / R2 einen zweiten Rückkopplungspfad bereitstellt (auch bekannt als "In-Loop-Kompensation"). Wenn Sie R1 haben, sollten Sie C1 / R2 haben. R1 allein macht die Situation noch schlimmer.

** Sie müssen sehr vorsichtig mit Operationsverstärkern mit geringer Leistung sein, die häufig empfehlen, kapazitive Lasten von mehr als nur 100 pF zu isolieren.

Bearbeiten: @ G36 hat eine reale Messung bereitgestellt, die den Effekt veranschaulicht (+1). Es würde wahrscheinlich nicht mit R2 = 0 anstatt mit 330 schwingen, aber das hängt vom verwendeten MOSFET und von der Last in der Drain-Schaltung ab. In jedem Fall wird der Phasenabstand verringert, was zu einem Überschwingen / Unterschwingen des Stroms führt.Ω

Bearbeiten ': Informationen zur Auswahl der Werte für eine bestimmte Situation finden Sie in dieser Referenz. R2 sollte ein Wert sein, der viel höher als R3 und nicht so niedrig ist, dass er übermäßig Offset oder andere schlechte Effekte verursacht. Sagen wir normalerweise im 1K-10K-Bereich, aber es könnte für sehr niedrige Leistung bzw. hohe Frequenzen höher oder niedriger sein.

Wählen Sie also einen Wert für C1. Der Mindestwert von R2 ist:

R2(min)=CLRO+R1C1 wobei RO der Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers im offenen Regelkreis und C_L die Lastkapazität ist.

Wenn also die Lastkapazität 10 nF einschließlich Miller-Effekt beträgt, R1 100 Ohm beträgt, RO 100 Ohm beträgt und C1 100 nF beträgt, dann ist R2 (min) = 20 Ohm. Die gezeigte Schaltung (wenn meine Annahmen vernünftig sind) ist also stark überkompensiert und reagiert viel langsamer als nötig.

Wenn wir C1 = 100pF wählen, ist R2 = 10K. Oder Sie könnten 1nF und 1K verwenden.

Spehro Pefhany
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Dies ist kein Simulationsergebnis, sondern eine reale Messung. Ich habe mein RIGOL-Oszilloskop verwendet, um dies zu erfassen. Ich habe nur LTspice verwendet, um das vereinfachte Schema des Setups zu zeichnen, das ich im Steckbrett verwendet habe.
G36
Schön, was die Auswahl eines Wertes für R2 angeht (was die Frage war), ich denke, Sie möchten, dass die Impedanz von C1 bei jeder Frequenz, mit der die Schaltung schwingen wird, viel kleiner als R2 ist ... aber ich bin mir nicht sicher . Ich benutze fast immer nur 10k Ohm wie oben gezeigt.
George Herold
@GeorgeHerold Eine Referenz hinzugefügt (die diese Konfiguration nicht ganz abdeckt) und eine Berechnung. Wenn ich es nicht berechnen möchte, verwende ich oft 1K / 1nF / 100 Ohm mit Operationsverstärkern mit nicht geringem Stromverbrauch.
Spehro Pefhany
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Der Kondensator in dieser Schaltung verhindert eine Stromspitze, wenn die Schaltung eingeschaltet wird. Wenn der Stromkreis ausgeschaltet ist, ist er vollständig entladen, und wenn er eingeschaltet wird, ist der Ausgang VC und der Strom ist entweder ausgeschaltet oder niedriger als das Ziel. Der negative Anschluss des Operationsverstärkers wird mit dem Operationsverstärkerausgang hochgefahren. Der Ausgang steigt dann an, bis der Zielwert erreicht ist.

Wenn nicht vorhanden, liegt der negative Anschluss des Operationsverstärkers auf Masse, während der Ausgang des Operationsverstärkers auf eine höhere Spannung als das Ziel ansteigt, da er die Gatekapazität über 100 Ohm ansteuert und möglicherweise gesättigt ist. Wenn der FET eingeschaltet wird, kann es zu einem Überschwingen kommen, wenn sich der Operationsverstärker von der Sättigung erholt.

John Birckhead
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Nun, es ist eine seltsame Schaltung. Nicht unbedingt schlecht.

Denken Sie daran, dass der Ausgang des Operationsverstärkers eine kleine Signalmasse ist und Sie sehen, dass R2 & C1 ein Tiefpassfilter bilden. Das gegen das Transistor-Gate wirkende R1 wirkt auch als Filter.

C1 speist auch Änderungen am Operationsverstärkerausgang zurück in den invertierenden Eingang und beschleunigt so dessen Reaktion auf Schrittänderungen am Steuereingang. Dies hat den Effekt, dass die Reaktion des Operationsverstärkerausgangs verlangsamt wird.

Die Optimierung der Schaltung hängt unter anderem von der Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers ab.

Interessanterweise kombiniert dies alles, um zu ermöglichen, dass diese Schaltung für dynamische Änderungen in der Last und in der Eingangsreferenz etwas unabhängig voneinander optimiert wird.

Platzhalter
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Ihr dritter Absatz ist völlig falsch. C1 verlangsamt die Reaktion des Opamps.
Olin Lathrop
@OlinLathrop danke, ich kann sehen, warum es so liest, ich werde die Sprache bereinigen.
Platzhalter
Das ist immer noch nicht richtig. C1 beschleunigt die Reaktion des Operationsverstärkers auf Steuereingabeschritte nicht, sondern verlangsamt sie. C1 ist ein klassischer Kompensationskondensator . Ziel ist es, den Opamp stabil zu halten. Es fügt dem negativen Eingang im Wesentlichen etwas Ausgang dV / dt hinzu. Wenn sich der Operationsverstärker schnell nach oben bewegt, erhöht dieser dV / dt den negativen Eingang ein wenig, wodurch der Operationsverstärker weniger stark in die Richtung fährt, in die er geht.
Olin Lathrop
@OlinLathrop nirgends heißt es, dass der Operationsverstärker beschleunigt ist, noch hat er das ursprünglich gesagt, aber es war eine wollige Sprache. In der bearbeiteten Version heißt es ausdrücklich, dass die Ausgabe verlangsamt wird.
Platzhalter
Der Teil, gegen den ich Einwände habe, lautet "und beschleunigt so die Reaktion auf Schrittänderungen" . Das ist falsch. So etwas gibt es nicht.
Olin Lathrop