なぜLTSpiceはこのオペアンプの発振を予測しないのですか?


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電源のベンチテスト用の電子負荷として機能する回路を開発しています。この回路をテストする方法に関する以前の質問には、いくつかの非常に有用な回答がありました。ここでは、オペアンプの安定性をテストする方法について説明しています。。この質問は、シミュレーションとテスト結果の解釈方法に関するものです。

これは、ブレッドボードでシミュレートおよびテストされた回路図です。

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LTSpiceが作成したプロットは、回路が非常に安定していることを示しています。1サイクルで解決する5Vの立ち上がりで1mVのオーバーシュートがあります。かなり拡大せずにかろうじて見ることができます。

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これは、ブレッドボード回路上のスコープを使用した同じテストのショットです。電圧の上昇はずっと小さく、周期は長くなりますが、テストは同じです。オペアンプの非反転(+)入力に方形波を送ります。

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ご覧のとおり、かなりのオーバーシュート(おそらく20%)があり、その後、高信号の持続時間にわたって安定した振動への指数関数的な減衰があり、落下時に若干のオーバーシュートがあります。低信号の高さは、ノイズフロア(約8mv)です。これは、回路がオフのときと同じです。

これはブレッドボードビルドの外観です。

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MOSFETはヒートシンクの上部にあり、黄色、赤、黒のワイヤで接続されています。それぞれゲート、ドレイン、ソース。小さなプロトボードにつながる赤と黒のワイヤーはそれぞれIN +とIN-であり、ブレッドボードのバナナジャックに接続して、ブレッドボードを通る電力レベルの電流を防ぎます。テストでロードされる電源は、電源自体の不安定さを避けるために、密閉型鉛蓄電池(SLA)バッテリーです。シルバージャンパーは、関数発生器から方形波が注入される場所です。左下の抵抗、ダイオードなどは、手動(ポテンショメータベース)の負荷レベル設定サブ回路の一部であり、接続されていません。

私の主な質問は:LTSpiceがこの重大な不安定性を予測しないのなぜですか?補償ネットワークをシミュレートできるので、本当に便利です。現状では、さまざまな値を接続して再テストする必要があります。

私の主な仮説は、IRF540Nのゲート容量がSPICEモデルでモデル化されておらず、考慮されていない〜2nFの容量性負荷を駆動しているというものです。モデル(http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi)の容量が適切な大きさのように見えるので、これが正しいとは思いません。

補償ネットワークの値を調整できるように、この不安定性を予測するシミュレーションを取得する方法はありますか?

結果の報告:

わかりました、私がLM358オペアンプに使用していたLTspiceモデルはかなり古く、周波数応答を適切にモデル化するほど洗練されていなかったことが判明しました。ナショナルセミによる比較的最近のものへの更新は、振動を予測しませんでしたが、明らかに20%のオーバーシュートを示しました。また、ブレッドボードテストに合わせてパルスピーク電圧を変更し、オーバーシュートが見やすくなりました。

より良いLM358Nモデルを使用したLTspiceプロット

その「フィードバック」に基づいて、私は満場一致で推奨される補償方法から始めました。これは、ドミナントポール補償の例だと思います。ゲート抵抗がその抵抗の一部であるのか、それとも2番目の補償スキームであるのかはわかりませんが、それは私にとって重要であることが判明しました。かなりの試行錯誤の後、私が最終的に得た値は次のとおりです。

補償回路図

これにより、非常に安定した波形が生成されましたが、この負荷でテストする電源の周波数応答をより適切にテストするために、可能であれば、立ち上がりと立ち下がりを少し鋭くしたいと思います。これについては少し後で説明します。

補償されたLTspiceプロット

次に、ブレッドボードで新しい値を使用しました。

補正スコープショット

私はそれについてかなり興奮していました:)

特に、新しいコンポーネントに適合するために、ブレッドボードの寄生成分を改善するのではなく悪化させました。

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とにかく、これは幸せに終わった、これが検索でそれを見つける他の人を助けることを願っています。私は、ブレッドボードにさまざまなコンポーネントを突っ込んで、これらの値をダイヤルしようとして残した小さな髪を引き裂いていたことを知っています:)


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LTSpiceは、ブレッドボードとMOSFETの間のインダクタ(ワイヤジャンパ)を理解しません。また、ブレッドボードを使用するときに0Vがたどる可能性のある曲がりくねったパスを理解しません。LTSpiceはゲート容量をモデル化しますが、ソース抵抗が中容量の抵抗をそのゲート容量と直列に配置することも注目に値します。
アンディ別名

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使用したIRF540モデル(PSpice)には、アプリのバルクゲートキャップが含まれています。2nF、1.1nFのゲート-ソースキャップおよびappのゲート-ドレインキャップ。0.5nF。この問題は、ブレッドボードの寄生LおよびCの影響が原因で発生すると思われます。占有面積を減らす必要があります(接続ワイヤを短くする)。
LVW

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以下の私の回答を参照してください(実際のオペアンプモデルと補償ネットワークが必要です)。
LVW

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オペアンプVccからグランドまでの最小直列Lで0.1uFの低ESRコンデンサを追加しました。現在はVccに接続されているものと物理的には似ていますが、巨大な結合ループと長いブレッドボードトラックはありませ。IC本体の8番ピンから4番ピンまで差し込んで見た目が悪くなりますが、半無限に良くなります。次に、Vccラインがブレッドボードの電源レールに入る電源レールに大きな電解キャップを追加します。あなたは直接、できるだけ月助け、...とピン4からの錫8に醜い探している方法で、今のところ、それを配線するために自分自身をもたらすことができる場合
ラッセル・マクマホン

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...しかし、現在の0.1 uF(以前のL + Cの代わりに)が十分に役立つ可能性があります。それでもうまくいかない場合、または十分に役立たない場合は、オペアンプ出力からFETゲートまでの10オームの抵抗を試してください。これは通常、物事をもう少しスプリアスを止めて、あなたが見ている振動よりも少ない理由で止めます。| おそらく最も関連するポイントのリストのかなり下にありますが、未使用のオペアンプの両方の入力を接地することは悪い考えではありません(おそらく:-)-つまり、マーフィーには他の考えがあります)。報告する...。。あなたは、「何が他の人が扱っているというのが私の意図回路Q&Aが間違っている時に見ることができます
ラッセル・マクマホン

回答:


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LM358ユニットにはさまざまなモデルがあります。「LM358」に基づくPSpiceシミュレーションは、アプリの位相マージンをもたらします。50 ... 60度 しかし、明らかに、これは非常に単純なモデルです。

ただし、LM358 / NSモデルを使用する場合、マージンはわずかにです!これは、測定中に観察される不安定性を説明しています。したがって、フィードバックスキームの外部安定化が必要です。

補償:オペアンプ出力ノードでの補償スキーム(直列接続R = 500 ... 1000オームおよびC = 50 ... 100nF)は、アプリの位相マージンを提供します。50度 (シミュレーション)。


これは重要な助けでした。私は1989年からLM358 Spiceモデルを使用していましたが、これはあなたのポインターに基づいて見つけたLM358 / NSモデルよりもはるかに単純でした。また、テストレベルに一致するようにシミュレーションで注入される方形波の振幅を減らし、2つのテストの間で、上昇時に指数関数的に減衰する20%のオーバーシュートがはっきりと見られます。振動はシミュレーションプロットに表示されませんが、今のところはオーバーシュートに完全に満足しています。振動をうまく補正できるかどうかを考えます。私はそれがどうなるかについて報告します:)
scanny

言及した報酬コンポーネントの配置を明確にできますか?V.senseノードと反転入力間で1kΩ、オペアンプ出力と反転入力間で100nFを考えていますか?それは、私が信じている支配的な極の補償でしょう。(私の頭の中で補償タイプの条件をまっすぐに取得するだけです)
-scanny

@LvWのおかげで、これが問題であることが判明しました。そこで更新されたモデルを取得すると、成功への道が開かれました。緑のチェックマークが表示されます:)
scanny

Scanny、フィードバックコンデンサを使用して、オペアンプをインターゲーター(非常に小さいコーナー周波数のローパス)に変更しました。もちろん、これにより、帯域幅が大幅に減少するため、回路全体が安定します-悪いパルス応答の結果(立ち上がり時間が増加します)。制御システムでは、この方法は「死に対する安定化」と呼ばれます。それと一緒に暮らすことができれば-結構です。そうでない場合は、多少「つまらない」補正を試してください。
-LvW

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詳細な回答でお伝えしたように、オペアンプ出力とグランド間のRCシリーズ接続(0.5 ... 1 kOhmおよび50 ... 100nF)。
LvW

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LTSpiceシミュレーションでは、入力していない回路項目を考慮することはできません。この場合、ブレッドボード配線はフィルター(その時点でRLCフィルター)を追加しています。

表示されているのは、(ほぼ)方形波をアンプに駆動し始めたときのステップ応答です。最初に入力をパルスした時点で(かなりの時間静かに保たれた)減衰した過渡応答(最初の数回のスイッチングサイクルで見られる)が見られ、その後、予想されるものに近づきます。

FETはおそらくアンプが駆動するのに十分な容量ですが、通常は抵抗を介してゲート容量を減結合します。これにより、FETのゲートにローパスフィルターが形成されるため、アンプのリンギング/オーバーシュートに対する回路応答のトレードオフがあります。これは、最初のステップ応答が消失すると表示されます。反転入力から回路基準(グランド)への極もあり、これを補償するためにフィードバックループにほぼ同じ容量の小さなコンデンサが見られるのが一般的です。

使用する値は回路レイアウトに依存しますが、この場合は約100pFから始めます(適切にレイアウトされたPCBでは、この値は5pFから10pFに近いでしょう)。

アンプのリンギングでは、オーバーシュート/アンダーシュート対さまざまな容量性負荷を示すグラフがデータシートにある場合があります。これは、最新のアンプのデータシートでは非常に一般的です。

HTH


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私はそのようなスキームを適用しなかったでしょう。このスキームは簡単に安定版に変換されます。出力とトランジスタのゲートの間に抵抗R1 = 1kOhmを配置します。トランジスタのソースとオペアンプの反転入力の間に抵抗R2 = 10kOhmを配置します。オペアンプの出力と反転入力の間にコンデンサC1 = 1000pFを配置します。


アレキサンダーのおかげで、これらの値は良い出発点であり、それから私はそこからそれらを調整しました:)
scanny
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