AC-Analyse der Operationsverstärkerschleife in LTspice

Ich baue eine elektronische DC-Dummy-Last und habe ein Problem mit Stabilität/Schwingungen.

Das ist meine Schaltung:
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Vset - steuert den Strom, wenn er auf 100 mV eingestellt ist, macht er 500 mA am Shunt
Vout1 - Vshunt multipliziert mit 40 von U1
Vout2 - Ausgang von U2, treibt Mosfet M1
power_in an - es sind 10 V und ich habe etwas Rauschen hinzugefügt

Vout1 und Vout2 oszillieren.

Kraft in:
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Vout1:
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Ich versuche, eine AC-Analyse durchzuführen, also könnte ich etwas optimieren.
Ich verstehe, dass die Schleife nicht stabil ist, wenn die Phasenverschiebung 180 ° beträgt und die Verstärkung höher als 0 dB ist.
Ich habe gelesen, dass ich die Rückkopplung brechen und ein kleines Signal für die AC-Analyse einfügen muss.
Das habe ich getan:
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AC-Analyse ist dies:
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Ist diese Methode richtig? Ich habe nach einigen Beispielen gegoogelt, aber ich konnte nur einfache Beispiele finden, die ich nicht auf meine Schaltung anwenden konnte.
Das Problem ist, dass das Ergebnis der AC-Analyse zeigt, dass die Verstärkung immer weniger als 0 dB und die Phasenverschiebung unter 180 ° liegt (na ja, für höhere Frequenzen werden möglicherweise 180 ° erreicht).

An diesem Punkt stecke ich fest, ich schätze jede Hilfe oder jeden Rat, wie man AC-Analysen richtig durchführt.

UPDATE:
Ich habe die Quelldatei für LTspice hochgeladen:
https://www.dropbox.com/s/iol9l4zr8wo7j1a/dc_load_heat_test.asc?dl=0

Diese Art von Stromsenke (gesteuert über eine Rückkopplungsschleife) benötigt höchstwahrscheinlich einen Integrator. Ich würde zunächst eine kleinere (1 nF) Kappe über R7 versuchen. Ich glaube nicht, dass C5 viel für Sie tut.
Haben Sie überprüft, ob die DC-Lösung nach dem Unterbrechen der AC-Rückkopplungsschleife korrekt ist?
@PeterSmith Danke für Hinweise, aber mein Interesse ist es, dieses AC-Analyseproblem zu lösen.
@ThePhoton Nein, ich habe keine "DC-Lösung" gemacht. Was meinst du damit?
@ThePhoton Ich habe "DC-Arbeitspunkt" gemacht. ".op 0 1m 0", was mir korrekte Spannungen gab (Vset = 0,1 V, Vshunt = 0,0025 V, Vout1 = 0,09999 V)
Vielleicht möchten Sie den Schaltplan aufräumen und irgendwo aufhängen, damit die Leute ihn herunterladen und selbst ausprobieren können. Ich verstehe nicht, warum Sie den AC-Stimulus dort platzieren würden, wo Sie ihn getan haben, anstatt irgendwo am Eingang des Operationsverstärkers. Auch der Wert für L1 ist etwas unrealistisch. Warum haben Sie sich für diesen Operationsverstärker entschieden, er scheint für diesen Zweck nicht besonders gut zu sein.
@PlasmaHH L1 ist da, um die Rückkopplungsschleife für Wechselstrom zu unterbrechen, und C7 ist da, um Masse von Gleichstrom zu isolieren. Ich habe dies in mehreren Foren gesehen, um Verstärkungs- und Phasenränder der Schleife zu analysieren. L1 und C7 sollen nicht realistisch sein. Sie sollte für diese Analyse extrem hoch sein. Ich habe LTC2050HV wegen der sehr niedrigen Eingangsoffsetspannung gewählt ( electronics.stackexchange.com/questions/335934/… ), aber es ist nicht der Punkt. Punkt dieser Frage ist, wie eine Schleifenanalyse einer solchen Schaltung durchgeführt wird.
@PlasmaHH Ich habe diese Datei hochgeladen und einen Link zur Frage hinzugefügt.
@Chupacabras: Um Ihr unmittelbares Problem zu "beheben", setzen Sie parallel zu R7 eine Obergrenze. Jetzt würde ich für die Analyse einen AC-Stimulus parallel zu power_in legen und die AC-Analyse 1-10 MHz ausführen und diesen Kondensator möglicherweise schrittweise durch Werte führen, um zu beobachten, wie er die Dinge ändert. Ich bin mir nicht sicher, ob dies "das Richtige" ist, wiederholt aber, was ich wissen möchte: wie viel bestimmte Frequenzen in die Rückkopplungsschleife übertragen werden. Dies übrigens. ändert natürlich die Sprungantwort.
Zwei wichtige Anforderungen an Schleifenmessungen: (1) Der geregelte DC-Arbeitspunkt muss erhalten bleiben bzw. hergestellt und (b) die Belastungseigenschaften an der Öffnung dürfen nicht verändert (bzw. hergestellt) werden. Es gibt viele Papiere und Beiträge, wie dies geschehen kann.
@LvW Wie erstelle ich einen DC-Arbeitspunkt in LTspice? Es scheint mir, dass DC-Spannungsquellen während der AC-Analyse ignoriert werden.
@LvW Ich habe es überprüft und der DC-Arbeitspunkt scheint in Ordnung zu sein. Ich habe die DC-Spannungen an allen Knoten überprüft, alle sind korrekt.
Wenn Sie es behoben haben, posten Sie eine Antwort
@laptop2d Nein, mein Problem ist leider immer noch nicht gelöst. Mein vorheriger Kommentar bezog sich nur auf den Kommentar von LvW.
Warum haben Sie eine 100H-Induktivität in Ihrem Regelkreis? 100h ist viel. Meinst du 100uH?
@laptop2d Ich habe es bereits in früheren Kommentaren beantwortet. Es wurde in einigen Foren empfohlen. Sein Zweck ist es, die Schleife für das AC-Signal zu unterbrechen. Das kommt nicht aus meinem Kopf. Schlagen Sie eine andere Methode für die AC-Analyse der Schleife vor? Wenn ja, fügen Sie bitte eine Antwort mit Details hinzu.
Mal sehen ob das Sinn macht...
Es ist richtig, die Schleife für Wechselstrom mit einem großen Induktor (100 H oder sogar mehr) zu unterbrechen. Dadurch wird die DC-Schleife und der DC-Arbeitspunkt nicht gestört. Als weiterer Schritt müssen Sie das AC-Testsignal mit einem sehr großen Kondensator in die Schleife einfügen. Dies funktioniert, solange die Belastung an der AC-Öffnung nicht zu stark verändert wird. Wenn ja, müssen Sie die Last mit zusätzlichen Komponenten nachahmen.
Wie ich sehen kann, gibt es kein Ladeproblem (Operationsverstärkereingang über 100 Ohm). Somit scheint alles in Ordnung zu sein.
Nein - großer Fehler: C7 muss ZWISCHEN der Wechselstromquelle und dem Stromkreis liegen. (nicht auf Masse).
@Chupacabras hilft die Antwort unten?
@laptop2d es sieht vielversprechend aus, aber ich konnte heute keine Zeit finden. Ich werde versuchen, Ihre Antwort morgen zu analysieren (zu überlegen).
@LvW es spielt wirklich keine Rolle, ob C7 vor oder nach V4 ist. C7 und V4 können getauscht werden. JosefC hat mir eine richtige Antwort gegeben. Die Schaltung ist korrekt verdrahtet, aber ich muss -V(vout1)/V(fb) anstelle von V(vout1) darstellen.
Chupacabras – da haben Sie natürlich recht!

Antworten (2)

@Chupacabras In Ihrer Simulation für die Schleifenverstärkung setzen Sie C7 auf 100F. Dies sind in Spice 100 Femto-Farad. Aber L1 und C7 sollten sehr große Werte haben. 1G oder 100G ist kein Problem, da es nur eine Simulation ist.

Der korrekte Ausdruck für die Schleifenverstärkung ist V(Vout1)/V(X), wobei X der Knoten zwischen (V4,L1,R9) ist.

Wie LvW bereits in den Kommentaren erwähnt hat, gibt es in dieser Konfiguration kein Ladeproblem.

Ich habe 100F und 100G ausprobiert, es macht keinen Unterschied. Ich habe V(Vout1)/V(X) ausprobiert, aber das Diagramm zeigt, dass es keine solche Frequenz gibt, bei der die Verstärkung mehr als 0 dB und die Phasenverschiebung -180 ° beträgt. Soweit ich weiß, sind das die Bedingungen für die Oszillation. Die Phasenverschiebung liegt zwischen +122° und -27°, wenn die Verstärkung über 0 dB liegt. Übersehe ich etwas?
Ich habe ein Zeichen übersehen. Die Schleifenverstärkung beträgt -V(Vout1)/V(VX). Eine schöne Beschreibung ist in allaboutcircuits.com/technical-articles/…
Exzellent! Das ist es. Danke für den Link. Jetzt habe ich die richtige AC-Analyse für meine Schaltung, ich kann sie optimieren und ich kann sehen, dass sie wirklich funktioniert :)

Das Problem ist, dass Sie Ihren Steuereingang verwechseln, Sie haben immer noch ein geschlossenes Regelkreissystem, wie unten gezeigt, aber Sie müssen identifizieren, welche Teile welche sind.

U1 ist H, wenn Sie eine Übertragungsfunktion für U1 gefunden haben, können Sie sie durch H ersetzen

U2 ist G und der Summationspunkt

θ 1 ist Ihre Eingabe, die Sie als DC-Wert verwenden möchten. Wenn Sie jedoch die Schleife analysieren möchten, müssen Sie Ihren Kontrollpunkt ändern.

Es gibt ein paar Möglichkeiten, ein Steuersystem zu identifizieren, eine davon ist das Sweepen der Frequenz, Sie möchten dies am Steuereingang tun und dann auf den Ausgang schauen. (oder andere Punkte im System)

Bei Ihrem zweiten Versuch haben Sie versucht, die AC-Analyse nach H und vor dem Summierungspunkt einzufügen, was meiner Meinung nach möglich wäre, aber es gibt einen viel einfacheren Weg, und Sie könnten die Kontrolltheorie verwenden, um die Stabilität zu überprüfen. Ja, ein Wechselstromblock und das Einspeisen von Wechselstrom in Ihre „Sensorschleife“ kann funktionieren, aber auch eine Wechselstromanalyse Ihres Steuereingangs.

Bearbeiten: Eigentlich hätte ich Vshunt überprüfen sollen (in der Analyse unten habe ich Vout2 überprüft). Vshunt ist Ihre eigentliche Ausgabe θ Ö aber sie sind in der AC-Reaktion ziemlich nah dran, also schweife ich ab ...

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Quelle: Elektronik-Tutorials ws: Closed-Loop-System

So habe ich Ihre Datei geändert, um eine ordnungsgemäße Closed-Loop-Analyse durchzuführen. Ich habe eine neue Spannungsquelle V4 an den positiven Anschluss von U2 (Ihren Steuerbezugspunkt) gelegt. Ich gab ihm auch eine Amplitude von 0,5 V und einen DC-Parameter, der von 1 bis 5 V variierte.

.step param R list 0.1 0.3 0.6 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
V4 N003 0 {R} AC 0.5

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Warten Sie, was ist, wenn wir hineinzoomen, ja, es gibt eine Resonanz von 3 dB bei vout1, aber 40 dB bei vout2. das ist schlecht (bei den ersten beiden Läufen, die den Parametern 0,1 und 0,3 V DC entsprechen). Alle anderen Läufe haben keine Resonanz.

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Was ist, wenn wir diesen Kondensator bewegen ... Ja, 6 dB, das ist besser, nicht großartig, könnte akzeptabel sein. Ich lasse Sie den Rest regeln.

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Erstmal danke für deine Antwort und den Denkanstoß. Aber irgendwas ist mir unklar. Sie ignorieren also die Phasenverschiebung in dieser Analyse vollständig? Wie entscheiden Sie anhand dieser Diagramme, ob die Schleife stabil ist oder ob es Schwingungen geben wird?
Wenn Sie einen Buckel sehen, der höher als der Durchlassbereich ist (wie Sie in allen Abbildungen sehen, bedeutet dies Schwingungen), ob dies ein Problem darstellt, hängt von den Designanforderungen Ihres Designs ab, die ich nicht kenne (z. B. wie viel Bandbreite Sie benötigen). ) Zweitens treten diese Oszillationen nur bei niedrigeren Leistungen (bei 0,1 V und 0,3 V DC) auf, sodass dies möglicherweise kein Problem für Ihr Design darstellt. Wenn dies der Fall ist, muss Bandbreite geopfert werden, und ein weiterer „Pol“ könnte in der Schleife verwendet werden, um dieses Oszillationsverhalten zu unterdrücken. Oder C5 erhöhen
Ich habe kein Durchlassband definiert, daher sind Schwingungen bei jeder Frequenz ein Problem. Ich habe meine Schaltung modifiziert (damit sie nicht schwingt), aber Ihre Methode zeigt immer noch einen Buckel. Wenn ich mir diese Grafik anschaue, kann ich nicht feststellen, ob die Schleife oszillieren wird oder nicht. Tatsächlich gab mir JosefC eine Antwort auf meine Frage, wonach ich suchte. Wie auch immer, Ihre Antwort hat mir geholfen, ein anderes Problem zu identifizieren. Das in dieser Simulation verwendete Mosfet (IRF530) ist nicht geeignet. Es hat einen zu hohen Rdson, wodurch U2 gesättigt wird und die Schwingungen für höhere Spannungen bei Vset unterbrochen werden.
AC-Analyse der Operationsverstärkerschleife in LTspice
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