Tại sao LTSpice không dự đoán dao động op-amp này?


15

Tôi đang phát triển một mạch để hoạt động như một tải điện tử cho các bộ nguồn thử nghiệm băng ghế dự bị. Một câu hỏi trước đó về cách kiểm tra mạch này đã nhận được một số câu trả lời rất hữu ích và có thể tìm thấy ở đây: Làm thế nào để kiểm tra độ ổn định của op amp? . Câu hỏi này là về cách diễn giải kết quả mô phỏng và thử nghiệm của tôi.

Đây là sơ đồ mạch như mô phỏng và thử nghiệm trên bảng điều khiển:

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Cốt truyện do LTSpice sản xuất cho thấy mạch khá ổn định. Có một phần vượt quá 1mV trên mức tăng 5V được giải quyết trong một chu kỳ. Nó chỉ có thể được nhìn thấy mà không phóng to một chút.

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Đây là một bức ảnh của thử nghiệm tương tự bằng cách sử dụng phạm vi trên mạch bánh mì. Sự tăng điện áp nhỏ hơn nhiều và thời gian dài hơn, nhưng thử nghiệm là như nhau; cung cấp một sóng vuông vào đầu vào không đảo (+) của op-amp.

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Như bạn có thể thấy có độ vọt quá mức đáng kể, có thể là 20%, sau đó là sự phân rã theo cấp số nhân thành một dao động ổn định trong suốt thời gian của tín hiệu cao và có một số phần vượt quá nhỏ vào mùa thu. Độ cao của tín hiệu thấp chỉ là mức nhiễu (khoảng 8mv). Điều này giống như khi tắt mạch.

Đây là những gì mà bản dựng Breadboard trông giống như:

nhập mô tả hình ảnh ở đây

MOSFET nằm ở đầu trên một tản nhiệt, được kết nối bằng các dây màu vàng, đỏ và đen; cổng, cống, và nguồn, tương ứng. Các dây màu đỏ và đen dẫn đến bảng proto nhỏ lần lượt là IN + và IN-, được kết nối với các giắc chuối trên bánh mì để tránh dòng điện cấp điện qua bảng mạch. Nguồn năng lượng được nạp trong thử nghiệm là pin axít chì (SLA) kín, để tránh bất kỳ sự bất ổn nào trong chính nguồn điện. Bộ nhảy bạc là nơi sóng vuông được đưa vào từ bộ tạo chức năng của tôi. Các điện trở, diode, vv ở phía dưới bên trái là một phần của mạch phụ cài đặt mức tải thủ công (dựa trên chiết áp) và không được kết nối.

Câu hỏi chính của tôi là: Tại sao LTSpice không dự đoán sự bất ổn đáng kể này? Nó sẽ thực sự tiện dụng nếu như vậy bởi vì sau đó tôi có thể mô phỏng mạng bù của mình. Khi nó đứng, tôi chỉ cần cắm vào một loạt các giá trị khác nhau và kiểm tra lại.

Giả thuyết chính của tôi là điện dung cổng của IRF540N không được mô hình hóa trong mô hình SPICE và tôi đang lái một tải điện dung ~ 2nF không được tính đến. Tôi không nghĩ điều này hoàn toàn đúng bởi vì tôi thấy các công suất trong mô hình ( http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi ) có vẻ là thứ tự đúng về cường độ.

Bất kỳ cách nào tôi có thể có được mô phỏng để dự đoán sự không ổn định này để tôi cũng có thể điều chỉnh các giá trị mạng bù của mình?

BÁO CÁO KẾT QUẢ:

Ok, hóa ra mô hình LTspice mà tôi đang sử dụng cho op-amp LM58 khá cũ và không đủ tinh vi để mô hình đáp ứng tần số chính xác. Việc cập nhật lên một bản tương đối gần đây của National Semi không dự đoán được dao động, nhưng rõ ràng cho thấy mức độ vượt quá 20%, điều này mang lại cho tôi một cái gì đó để làm việc. Tôi cũng đã thay đổi điện áp cực đại xung để phù hợp với thử nghiệm trên bảng điều khiển của mình, điều này giúp cho việc vượt quá dễ dàng hơn để xem:

Âm mưu LTspice với mô hình LM58N tốt hơn

Dựa trên "phản hồi" đó, tôi bắt đầu với phương thức bồi thường được khuyến nghị nhất trí mà tôi tin là một ví dụ về bồi thường cực chi phối . Tôi không chắc điện trở cổng là một phần của sơ đồ bù đó hay sơ đồ bù thứ hai, nhưng hóa ra nó rất quan trọng đối với tôi. Dưới đây là các giá trị tôi đã kết thúc sau một số lượng lớn thử nghiệm và lỗi:

Sơ đồ bù

Điều này tạo ra một dạng sóng rất ổn định, mặc dù tôi muốn tăng và giảm sắc nét hơn một chút nếu có thể, để kiểm tra tốt hơn đáp ứng tần số của các bộ nguồn tôi sẽ kiểm tra với tải này. Tôi sẽ làm việc đó một lát sau.

Âm mưu bù trừ LTspice

Sau đó, tôi đã sử dụng các giá trị mới trên bảng điều khiển, và lo và tôi đã nhận được điều này:

Phạm vi bù

Tôi đã khá lo lắng về điều đó :)

Đặc biệt là, để phù hợp với các thành phần mới, tôi đã làm cho ký sinh trùng bánh mì trở nên tồi tệ hơn là tốt hơn:

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Dù sao, điều này đã kết thúc một cách hạnh phúc, hy vọng điều này sẽ giúp những người khác tìm thấy nó trên tìm kiếm. Tôi biết tôi sẽ xé ra những sợi tóc nhỏ mà tôi còn lại khi cố gắng quay số trong các giá trị này bằng cách chọc các thành phần khác nhau vào bảng điều khiển :)


1
LTSpice không hiểu các cuộn cảm (còn gọi là bộ nhảy dây) giữa bảng mạch của bạn và MOSFET. Nó cũng không hiểu con đường quanh co có khả năng mà 0V đi khi sử dụng bảng mạch. LTSpice SILL mô hình điện dung cổng và điều đáng chú ý là điện trở nguồn sẽ đặt một điện trở giá trị trung bình nối tiếp với điện dung cổng đó.
Andy aka

1
Mẫu IRF540 tôi đã sử dụng (PSpice) chứa nắp ứng dụng số lượng lớn. 2nF, nắp nguồn 1.1nF và nắp ứng dụng. 0,5nF. Tôi cho rằng, các vấn đề phát sinh do ảnh hưởng của ký sinh trùng L và C trên bánh mì. Bạn nên giảm diện tích chiếm dụng (dây kết nối ngắn hơn).
LvW

1
Xem câu trả lời của tôi dưới đây (mô hình opamp thực và mạng bù cần thiết).
LvW

1
ADd một nắp ESR thấp 0,1uF với chuỗi L tối thiểu có thể từ op amp Vcc xuống đất. Bây giờ nó có thể trông tương tự như cái được kết nối với Vcc nhưng không có vòng lặp khớp nối lớn và các rãnh bánh mì dài. Nó có thể sẽ cắm vào thân IC từ chân 8 đến chân 4 và trông xấu xí, nhưng hoạt động tốt hơn vô cùng. Sau đó thêm nắp điện phân lớn trên đường ray cung cấp điện, nơi đường Vcc đi vào đường ray điện bánh mì. Nếu bây giờ bạn có thể tự mình đi dây, theo cách nhìn xấu xí từ pin 4 đến tin 8 càng trực tiếp càng tốt, ...
Russell McMahon

1
... nhưng tỷ lệ cược là 0,1 uF bạn có hiện tại (thay cho L + C trước đó) sẽ giúp đủ. Nếu điều đó không giúp hoặc đủ giúp thử một điện trở 10 Ohm nói từ đầu ra opamp đến cổng FET. Đó thường là để ngăn chặn mọi thứ một chút giả mạo và với lý do ít hơn so với dao động bạn đang thấy. | Có lẽ nó nằm trong danh sách các điểm có liên quan nhất nhưng căn cứ cả hai yếu tố đầu vào của opamp chưa sử dụng không phải là ý tưởng tồi, (có lẽ :-) - tức là Murphy đôi khi có ý tưởng khác). Báo cáo lại ... . THÌ bạn có thể xem xét "có gì sai với câu hỏi và dự định về mạch của tôi mà người khác đang giải quyết.
Russell McMahon

Câu trả lời:


10

Có các mô hình khác nhau cho các đơn vị LM58. Mô phỏng PSpice dựa trên "LM58" dẫn đến biên pha của ứng dụng. 50 ... 60 độ. Nhưng rõ ràng, đây là một mô hình rất đơn giản.

Tuy nhiên, khi sử dụng mô hình LM58 / NS, lề hơi âm ! Điều này giải thích sự mất ổn định quan sát được trong các phép đo. Do đó, sự ổn định bên ngoài của sơ đồ phản hồi là cần thiết.

Bồi thường : Một sơ đồ bù (kết nối sê-ri R = 500 ... 1000 Ohms và C = 50 ... 100nF) tại nút đầu ra opamp cung cấp lề pha của ứng dụng. 50 độ. (mô phỏng).


Đây là một trợ giúp quan trọng. Tôi đã sử dụng một mô hình LM58 Spice từ năm 1989 đơn giản hơn nhiều so với mô hình LM58 / NS mà tôi tìm thấy dựa trên con trỏ của bạn. Tôi cũng đã giảm biên độ sóng vuông được tiêm trên mô phỏng để phù hợp với mức thử nghiệm của mình và giữa hai trong số chúng tôi hiện đang thấy rõ độ vọt lố 20% với sự phân rã theo cấp số nhân khi tăng. Dao động không xuất hiện trên sơ đồ mô phỏng, nhưng hiện tại tôi hoàn toàn hài lòng với độ vọt lố, cho biết liệu tôi có thể bù lại một cách gọn gàng không, dao động có khả năng đi theo nó. Tôi sẽ báo cáo về cách nó diễn ra :)
scanny

Bạn có thể làm rõ vị trí của các thành phần bồi thường bạn đề cập? Bạn đang suy nghĩ 1kΩ giữa nút V.sense và đầu vào đảo ngược và 100nF giữa đầu ra op-amp và đầu vào đảo ngược? Tôi tin đó sẽ là một khoản bồi thường cực lớn, phải không? (chỉ cần đưa các điều khoản loại bồi thường của tôi thẳng vào đầu tôi :)
scanny

Cảm ơn @LvW, điều này hóa ra là vấn đề. Khi tôi nhận được mô hình cập nhật trong đó, nó đưa tôi đến con đường thành công. Bạn nhận được dấu kiểm màu xanh lá cây :)
scanny

Scanny, với tụ phản hồi, giờ đây bạn đã thay đổi opamp thành một intergator (đường thông thấp với tần số góc rất nhỏ). Tất nhiên, điều này ổn định toàn bộ mạch vì băng thông bị giảm mạnh - với hậu quả là phản hồi xung xấu (thời gian tăng tăng). Trong các hệ thống điều khiển, phương pháp này được gọi là "ổn định đến chết". Nếu bạn có thể sống với nó - tốt thôi. Nếu không, bạn phải thử một khoản bồi thường "khó khăn" hơn.
LvW

1
Như tôi đã nói với bạn trong câu trả lời chi tiết của tôi: Kết nối sê-ri RC giữa đầu ra opamp và mặt đất (0,5 ... 1 kOhm và 50 ... 100nF).
LvW

3

Mô phỏng LTSpice không thể giải thích cho các mục mạch mà bạn chưa nhập: trong trường hợp này, hệ thống dây điện bánh mì của bạn có thêm bộ lọc (bộ lọc RLC tại đó).

Những gì bạn đang thấy là Phản hồi bước khi bạn bắt đầu lái sóng vuông (gần như) vào bộ khuếch đại. Tại thời điểm ban đầu bạn bắt đầu vào (đã được giữ im lặng trong một khoảng thời gian đáng kể), bạn sẽ thấy các phản ứng chuyển tiếp bị ẩm (rõ ràng trong một vài chu kỳ chuyển đổi đầu tiên) và sau đó trở nên gần hơn với những gì bạn mong đợi.

Mặc dù FET có lẽ là một điện dung đủ thấp để bộ khuếch đại điều khiển, nhưng thông thường để tách điện dung cổng thông qua một điện trở. Điều này sẽ tạo thành một bộ lọc thông thấp ở cổng FET, do đó có sự đánh đổi đáp ứng mạch với vòng / bộ khuếch đại, đó là những gì bạn thấy khi phản hồi bước ban đầu đã biến mất. Ngoài ra còn có một cực từ đầu vào đảo ngược đến tham chiếu mạch (mặt đất) và thường thấy một tụ điện nhỏ trong vòng phản hồi có cùng điện dung để bù cho điều này.

Giá trị bạn nên sử dụng phụ thuộc vào bố trí mạch, nhưng trong trường hợp này tôi sẽ bắt đầu với khoảng 100pF (trên PCB được đặt đúng cách, giá trị này sẽ giống như 5pF đến 10pF).

Trên chuông khuếch đại, có thể có các biểu đồ trong biểu dữ liệu hiển thị quá mức / dưới mức so với các tải điện dung khác nhau. Điều này là khá phổ biến trong datasheets hiện đại.

HTH


2

Tôi sẽ không áp dụng một chương trình như vậy. Đề án này dễ dàng chuyển đổi thành ổn định. Giữa đầu ra và cổng của bóng bán dẫn đặt điện trở R1 = 1kOhm. Giữa nguồn của bóng bán dẫn và đầu vào đảo ngược của bộ khuếch đại hoạt động đặt một điện trở R2 = 10kOhm. Giữa đầu ra và đầu vào đảo ngược của bộ khuếch đại hoạt động đặt một tụ điện C1 = 1000pF.


Cảm ơn Alexander, những giá trị này là điểm khởi đầu tốt và sau đó tôi đã điều chỉnh chúng từ đó :)
scanny
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.