Vấn đề ổn định trong unA-gain opAmp

Là một phần của nguồn cung cấp năng lượng được kiểm soát để kiểm tra vòng lặp phần cứng cho dự án do sinh viên điều khiển, tôi đã phải phát triển bộ đệm hiện tại (tín hiệu điện áp) có thể cung cấp nguồn lên tới 1 A.

Tôi đã có ý tưởng (xấu) về việc cố gắng thực hiện mạch đơn giản này:

PMOS bên trong vòng phản hồi hoạt động như một biến tần (nhiều V_gate hơn, ít VOC hơn) và đó là lý do tại sao vòng lặp đóng trong thiết bị đầu cuối POSITIVE của opAmp thay vì âm.

Trong phòng thí nghiệm tôi đặt VREF = 5V và VIN = 7V. Tôi sẽ nhận được 5V ở VOUT, nhưng tôi có được VOUT đầu ra ngoài tầm kiểm soát này :

Và đây là tín hiệu điều khiển (đầu ra của opAmp, được kết nối với cổng của MOSFET)

Tôi tìm thấy các hành vi tương tự dưới các VREF, VIN và Rload khác nhau. Cũng lưu ý rằng đầu ra của opAmp không bão hòa với bất kỳ đường ray nào.

Giả định của tôi là mức tăng của vòng lặp quá cao để giữ cho opAmp ổn định.

Tôi có một số nền tảng về hệ thống điều khiển và opamp, nhưng tôi không biết cách áp dụng nó để giải quyết tình huống này ...

Có thể áp dụng một số mạng chuyển pha để ổn định vòng lặp?

Tôi sẽ đánh giá cao cả "hack nhanh" hoặc câu trả lời giáo dục!

Điều này thực sự đơn giản - sử dụng FET kênh N và có nó như một người theo dõi nguồn. Bạn thậm chí có thể sử dụng một BJT. Cái dưới đây có được nhờ phản hồi 3k3 và 1k để tiếp đất từ ​​-Vin. Nếu bạn không muốn đạt được, hãy kết nối trực tiếp đầu ra với -Vin và bỏ qua 1k.

Một bộ đệm đạt được sự thống nhất trên đầu ra của op-amp là một người theo dõi phát hoặc theo dõi nguồn. Đơn giản như vậy - phản hồi từ bộ phát / nguồn trở lại đầu vào đảo ngược của op-amp.

Ngoài ra, do điện áp nguồn / bộ phát "theo" tín hiệu đầu ra op-amps, nên các hiệu ứng tải cổng / cơ sở là tối thiểu do đó khi sử dụng MOSFET, bạn không cần phải lo lắng về điện dung của cổng.

Hãy suy nghĩ về điều này một cách hợp lý - Thiết bị tương tự hoặc TI hoặc MAXIM của LT - nhóm tiếp thị của họ sẽ không thức dậy vào một buổi sáng và nói với các nhà thiết kế của họ - tại sao bạn không thể thiết kế một op-amp cho phép ai đó thêm giai đoạn tăng điểm nó và hy vọng nó sẽ ổn định Nếu họ làm như vậy, các nhà thiết kế sẽ nói rằng họ phải giảm hiệu suất của op-amp để nó ổn định - làm thế nào mà op-amp đó cạnh tranh trên thị trường với tất cả các op-amp đi trên con đường hợp lý và tiếp tục xây dựng những gì họ giỏi.

Op amp của bạn đang dao động vì mức tăng của vòng lặp mở của bạn lớn hơn 1 với tần số tại đó độ dịch pha là 180 °.

Op amp trong mạch của bạn đang lái một tải gần như hoàn toàn điện dung - cổng của MOSFET.

Có nhiều cách có thể để sửa lỗi này chỉ bằng một điện trở được đặt tốt hoặc một tụ điện. Có thể tốt nhất là sử dụng điện trở nối tiếp hoặc shunt RC song song hoặc cặp RC phản hồi - tất cả phụ thuộc vào mạch cụ thể được đề cập.

Để biết thêm về điều này, hãy tham khảo bài viết tuyệt vời này của Thiết bị analog .

LƯU Ý: Bài đăng này đã được chỉnh sửa rộng rãi để thêm chiều sâu và rõ ràng. Trong khi soạn câu trả lời ban đầu, rất nhiều chi tiết đã được xem xét mà không được đưa vào để giữ cho mọi thứ ngắn gọn. Ở đây da bị xé ra khỏi quá trình chẩn đoán và giải pháp để hiển thị những gì diễn ra dưới bề mặt và thêm chất. Hãy nghĩ về nó như một loại nhật ký phân tích. Tôi để nguyên câu trả lời ban đầu cho các chỉnh sửa trong suốt, thêm chi tiết vào và sau văn bản cũ.

$C_{\text{iss}}$

Biên tập bình luận về chẩn đoán:

Trường hợp cực 20kHz này đến từ đâu?

$C_{\text{gs}}$$R_{\text{14}}$$R_g$

$F_p$$\frac{1}{\text{2$\pi $} R_{14} C_{\text{gd}} g_{\text{fs}} R_g}$$\frac{1}{\text{2$\pi $} \text{(1000)} \text{(150pF)} \text{(5)}\text{(10)}}$

$C_{\text{gd}}$$g_{\text{fs}}$$R_{\text{14}}$). Thực hiện tổng hợp dịch chuyển pha vòng lặp để thấy rằng, trong trường hợp tốt nhất, bạn sẽ mong đợi 45 độ lề pha còn lại ở 20kHz (LM58 -90, IRF9530 -180 -45 = -315 độ). Đã ở mức 20kHz, biên độ pha ở mức tối thiểu bạn muốn thấy trong vòng lặp của mình, là 45 độ và có lẽ ít hơn thế. OK, cho đến nay đây là một SWAG tổng. Thật khoa học vì tôi đã sử dụng một máy tính khoa học để nhân và chia, và đó là một phỏng đoán hoang dã vì tôi chưa nhìn vào bảng dữ liệu cho IRF9530, và đã không làm mới bộ nhớ của tôi về LM58 Zo. Nó đưa ra một chỉ báo nhanh về khả năng gây ra sự cố cho mạch OP.

Tìm kiếm những ý tưởng đơn giản nhất để cải thiện tình hình:

Đầu tiên đã cố gắng cung cấp một giải pháp đơn giản cho mạch ban đầu, dẫn đến hai câu lệnh dưới đây. Đây là cả hai cách tiếp cận hỗ trợ ban nhạc không thể được thực hiện đủ xa để tạo ra bất kỳ sự khác biệt có ý nghĩa. Bài học ở đây (mà tôi nên biết) là không bao giờ cung cấp giải pháp hỗ trợ ban nhạc, vì chúng không đáng giá. Tất nhiên có nhiều cách để khắc phục cách tiếp cận ban đầu, nhưng chúng cơ bản và phức tạp hơn.

$V_{\text{th}}$

Một vài lưu ý về mạch tôi đề nghị:

• R1 trong loạt với cổng chỉ là một tiện lợi. Điều rất phổ biến trong các mạch như thế này là cần cách ly cổng để xử lý sự cố hoặc kiểm tra. Bật lên một điện trở là một hoạt động 5 giây. Nâng đầu của TO-220 ít thuận tiện hơn nhiều, hãy thực hiện nhiều lần và thậm chí bạn có thể nâng một miếng đệm. Nếu bạn đang sử dụng một bộ phận gắn trên bề mặt, không có điện trở, bạn sẽ phải loại bỏ FET.

• Tôi hiển thị điện trở 1kOhm cho R15. Thực sự, khi xem xét trở kháng đầu ra của LM58, tôi sẽ không sử dụng bất cứ thứ gì dưới 10kOhm ... và thậm chí có thể lên tới 50kOhm.

Bạn có thể thử:

• Giảm trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại (rất nhiều) bằng cách thêm bộ đệm theo dõi phát ở đầu ra amp.
• $C_{\text{iss}}$

Vì đầu vào + của amp đang được sử dụng làm điểm phản hồi âm, bạn có những điều phức tạp. Thông thường, bạn sẽ muốn sử dụng OpAmp như một bộ tích hợp với tụ phản hồi từ đầu ra OpAmp sang đầu vào. Bằng cách đó, bạn có thể điều khiển điểm giao nhau của bộ khuếch đại để mất pha do điện dung FET gây ra có thể không quan trọng hoặc được bù.

Bạn có thể bắt đầu với một cái gì đó như thế này:

Chọn một giá trị cho C10 làm cho khuếch đại khuếch đại vượt qua mức tăng 0 ở tần số 1kHz trở xuống để ổn định. Sử dụng FET, bạn sẽ không thể nhận được nhiều hơn khoảng 3V với bất kỳ tải nào ở đầu ra. Trong trường hợp đó, bạn sẽ phải xem xét sử dụng một BJT hoặc Vin cao hơn.

Biên tập bình luận về giải pháp theo dõi nguồn:

Đây là cách tôi nghĩ về một giải pháp thiết kế cơ bản.

Chúng ta biết gì về những gì Svilches đang cố gắng làm với mạch của mình? Chà, anh ta muốn sử dụng 7V để cung cấp tới 5V với tải tối đa 1 amp và anh ta muốn có điện áp đầu ra theo dõi điện áp điều khiển (mà anh ta gọi là điện áp tham chiếu). Về cơ bản, muốn có một nguồn cung cấp năng lượng có thể điều chỉnh tuyến tính bằng cách sử dụng opamp LM58 để bù lỗi vòng lặp và chỉ có 2 volt của phòng đầu (đó sẽ là một vấn đề đối với LM58).

Chúng tôi không biết loại điều chế nào sẽ kiểm soát tham chiếu. Nó sẽ là một đoạn đường nối, một sin hoặc có thể là một xung hoặc bước điều chế? Bước là tồi tệ nhất, mặc dù nếu bạn có kế hoạch cho nó không phải là vấn đề lớn, vì vậy hãy tính toán các bước nhập tham chiếu theo các bước.

$C_o$

Hai cách cơ bản để đi:

Hoặc bù cho mạch nguồn chung là ổn định hoặc chuyển sang mạch theo nguồn. Tùy chọn đầu tiên có rất nhiều công đức, nhưng phức tạp hơn và tôi đang tìm kiếm giải pháp nhanh nhất và ít phức tạp nhất. Tùy chọn thứ hai, người theo dõi nguồn là một thiết kế đơn giản hơn vì nó bị hạn chế. Bằng cách hạn chế, tôi có nghĩa là thay đổi từ một phần tử vượt qua có bộ đệm dòng điện và có mức tăng điện áp thành một bộ đệm dòng điện và có (ngoại trừ trường hợp đặc biệt được xác định bởi các phần tử ký sinh) tăng điện áp thống nhất. Ưu điểm của mạch nguồn chung là nó là một giải pháp thả thấp, mà bạn thả lỏng với một bộ khuếch đại theo dõi nguồn. Vì vậy, nơi đơn giản để bắt đầu là người theo dõi nguồn.

Các vấn đề khi sử dụng giai đoạn sức mạnh của người theo nguồn ở đây:

• $V_{\text{th}}$$V_{\text{ds}}$$g_{\text{fs}}$$C_{\text{gd}}$
• $V_{\text{gs}}$$\beta$$V_{\text{ce}}$của 2V. Giai đoạn sức mạnh kênh P đó trông có vẻ tốt hơn mọi lúc, nhưng chúng ta sẽ tiếp tục với người theo dõi nguồn. Lưu ý bên lề về LM58: Chất bán dẫn quốc gia thích bộ khuếch đại này đủ để đưa nó vào ít nhất 3 dòng sản phẩm LM124 (một quad) LM158 (một kép) và LM611 (một đơn có tham chiếu). Bảng dữ liệu cho LM124 và LM158 không quá rõ ràng về hiệu suất gần chéo, nhưng bảng dữ liệu LM611 rất tuyệt ... xem đặc biệt là các hình 29, 30, 35 và 36. Ồ, và trong khi bạn đang ở bảng dữ liệu LM611, có một nhìn vào các mạch ví dụ có mũ tích hợp xung quanh OpAmp.

$V_{\text{th}}$

$V_{\text{ds}}$$g_{\text{fs}}$$C_{\text{gd}}$$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$

$C_{\text{gd}}$

Khi mức tăng giảm ở giai đoạn 20dB / thập kỷ là 90 độ nếu cực đơn giản gần nhất cách đó một thập kỷ. Một cực đơn giản sẽ gây ra 90 độ dịch pha trong 2 thập kỷ tập trung với 45 độ dịch chuyển ở cực.

$C_{\text{gd}}$là 150pF, sẽ đẩy tần số cực hiệu quả trở lại khoảng 1,5 quãng tám (thực sự là 1,6 quãng tám, nhưng tại sao lại phân minh trên 0,1 quãng tám). 1,5 quãng tám có giá trị khoảng 20 độ dịch pha, vì vậy bây giờ bộ khuếch đại chỉ có 25 độ lệch pha. Nếu 45 độ lề pha dẫn đến độ vọt lố của 1,3 thì mức độ vượt quá dự kiến ​​sẽ là bao nhiêu với lề pha 25 độ?

Dưới đây là một âm mưu của bước vượt quá so với lề pha vòng mở cho một bộ khuếch đại phản hồi thống nhất đạt được sự thống nhất.

Xác định vị trí lề pha 25 độ trong ô và thấy rằng nó khớp với độ vọt lố khoảng 2,3. Đối với mạch theo dõi nguồn này sử dụng IRF520, bạn sẽ mong đợi một bước đầu vào 100mV ở điện áp tham chiếu để gây ra sự vượt quá 230mV trên mức đáp ứng 100mV của nó. Sự quá mức đó sẽ biến thành tiếng chuông ở khoảng 500kHz trong một thời gian dài. Một xung hiện tại trên đầu ra sẽ có tác động tương tự của phần vượt quá lớn, sau đó đổ chuông ở khoảng 500kHz. Đây sẽ là hiệu suất tệ hại không thể chấp nhận được đối với hầu hết mọi người.

Làm thế nào tất cả những tiếng chuông đó có thể được giảm? Tăng biên độ pha. Cách dễ nhất để tăng lề pha là thêm nắp tích hợp xung quanh bộ khuếch đại bên trong vòng phản hồi thống nhất. Biên độ pha lớn hơn 60 độ sẽ loại bỏ tiếng chuông và bạn có thể có được điều này bằng cách giảm mức tăng Opamp khoảng 6dB.

Một kịch bản có khả năng

$V_{\text{ds}}$$C_{\text{gs}}$. Tải điện dung ở đầu ra Opamp sẽ bắt đầu tăng từ 150pF, tiến tới 500pF. Tiếng chuông có thêm điện dung tại nguồn sẽ trở nên tồi tệ hơn. Người dùng sẽ không thích điều đó, và sẽ thử nhiều điện dung hơn để tải nguồn. Khi điện dung thời gian tại nguồn đã đạt 1uF, mạch rất có thể sẽ không còn đổ chuông nữa ... nó sẽ dao động.

Vì tôi hy vọng điện dung sẽ được thêm vào đầu ra của mạch, tôi sẽ kích thước nắp tích hợp để giảm mức tăng vòng lặp xuống 20dB hoặc hơn.

Giả sử rằng vấn đề là tải điện dung (cổng của MOSFET), một số ý tưởng là:

1. Trong các bộ khuếch đại âm thanh, cách tiếp cận cổ điển để bảo vệ chống lại tải điện dung là bao gồm một cuộn cảm đầu ra, thường nối tiếp với một điện trở. Chỉ là một ý tưởng cần ghi nhớ: đừng quên cuộn cảm như một cách cô lập với điện dung.

2. Bạn có bao giờ chú ý làm thế nào các bảng dữ liệu của bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính luôn đề xuất một tụ điện bypass trên đầu ra không? Điều này giúp với một tải điện dung. Mặc dù có vẻ như là một nghịch lý, lý do là tụ điện được trồng có chủ ý có điện dung cao hơn làm thay đổi điện dung nhỏ của tải, do đó tạo ra một cực chi phối ở tần số thấp hơn. Hãy thử một tụ điện từ đầu ra của op-amp xuống đất, từ 0,1uF đến 1uF.

3. Vì bạn đang sử dụng đầu vào + cho phản hồi âm, nên có một cơ hội lớn trong mạch này để thêm bù Miller dưới dạng vòng phản hồi âm cục bộ hơn: thay vào đó, một tụ điện được kết nối từ đầu ra của op-amp đến - đầu vào của mặt đất.

4. Giai đoạn đầu ra của bạn là nguồn chung, và vì vậy nó có được! Các op-amp đã có những lợi ích của vòng lặp mở và bạn đang thêm nhiều hơn vào vòng lặp. Hãy xem xét một giai đoạn đầu ra không thêm bất kỳ lợi ích nào nữa: xem câu trả lời của Andy Aka.

Lưu ý: đoạn văn sau có phần không chính xác, theo nghĩa là ý tưởng của bạn có thể (và không) hoạt động với một số điều chỉnh và trong rất nhiều sản phẩm, đặc biệt là PMOS LDO; xem các tài liệu tiếp theo. Tôi đang rời khỏi đoạn này ở đây vì LvW đã trả lời nó.

Chà, tải điện dung là một vấn đề khó giải quyết ngay cả trong một mạch thiết lập chính xác, nhưng trong mạch của bạn [như được vẽ], bạn đang cung cấp phản hồi tích cực cho opamp! Điều này sẽ dao động như điên ngay cả trong mô phỏng ... với cùng 5Vpp dự đoán. Vâng, hình dạng dao động hơi khác một chút trong mô phỏng, nhưng bạn mong đợi điều gì ... không có ký sinh trùng và LM58 có mô hình SPICE khá cơ bản.

@LvW: Tôi cần suy nghĩ thêm một chút về chính xác những gì xảy ra nhưng hãy xem biểu đồ được cập nhật với Vgate được vẽ. Rõ ràng là nó không bao giờ đạt đến 5V, vì vậy opamp không bao giờ thấy phản hồi tiêu cực thực sự như thiết kế này cố tình làm. Vì vậy, opamp hoạt động như một bộ so sánh về cơ bản. Cũng có một số thay đổi pha giữa hai tín hiệu này, nhưng tôi không tin đó là nguyên nhân của sự dao động, thay vào đó tôi nghĩ đó là "do thiết kế". Tôi đã thử thêm một số điện trở lớn (1K, thậm chí 10K) trên cổng và nó vẫn dao động như cũ.

Về cơ bản những gì bạn đang cố gắng làm là thiết kế một PMOS LDO ! Nhưng bạn đang làm điều đó khá sai. Bạn cần phải bù nó bằng một nắp bỏ qua có kích thước đúng và ESR! Ngoài ra, LDOS PMOS sẽ lấy thông tin phản hồi thông qua bộ chia điện áp. Đây là thiết kế LDO nghiệp dư của tôi:

Như thường lệ với PMOS LDO, ESR giới hạn đầu ra là rất quan trọng và cần phải ở trong một băng tần nhất định. Hãy nhìn những gì xảy ra nếu tôi hạ thấp nó, ví dụ; bắt đầu dao động:

Nếu ESR quá cao, bạn lại gặp rắc rối; tốt cho tải này, nó phải tăng khá cao trước khi nó dao động ở phía bên kia của dải an toàn:

Trên thực tế, yếu tố quan trọng duy nhất trong đó là nắp bù. Một 10uF với ESR 0,1ohm dường như hoạt động cho phạm vi tải khá lớn từ 1K xuống đến 5 ohms (sẽ cung cấp cho bạn đầu ra 1A bạn muốn):

Tất nhiên, bạn sẽ nhận được một số giới hạn băng thông từ giới hạn này.

Opamp của bạn không ổn định có lẽ vì bạn đang lái một tải điện dung (điện dung cổng). Loại bỏ C10 và hạ giá trị của R15 xuống hàng chục ohms. Bạn cũng có thể thử sử dụng một opamp khác. Bảng dữ liệu của LM58 cho biết:

Tải điện dung được áp dụng trực tiếp vào đầu ra của bộ khuếch đại làm giảm biên độ ổn định của vòng lặp. Các giá trị 50 pF có thể được cung cấp bằng cách sử dụng kết nối đạt được sự thống nhất không đảo ngược trong trường hợp xấu nhất. Nên sử dụng mức tăng vòng kín lớn hoặc cách ly điện trở nếu điện dung tải lớn hơn phải được điều khiển bởi bộ khuếch đại.

Điện dung đầu vào của IRF9530 là 500pF, do đó bạn chắc chắn cần đặt một điện trở nhỏ giữa đầu ra của opamp và cổng MOSFET.