Rauschen im Operationsverstärkerdesign oder EMI?

Entschuldigung für den langen Post, aber ich habe versucht, das in meinem Kopf zu klären.

Die Schaltung, an der ich arbeite, basiert auf der Dummy-Last von EEVBlog . Die Schaltung arbeitet mit einem Operationsverstärker, um die Spannung an einem Strom-Shunt-Widerstand einzustellen und den Rest der Spannung über einen Mosfet zu brennen.

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Die Spannung wird am Operationsverstärker eingestellt, indem ein PWM-Signal von einem Atmega328P gefiltert wird. Dies ist mein erstes gemischtes Analog-Digital-Board, daher schien es zunächst ein nützliches Design zu sein; nicht allzu überraschend habe ich Probleme damit. Kurz gesagt, ich habe viel Rauschen in den angeschlossenen Leitungen / in der Nähe des Operationsverstärkers.

Screenshots der relevanten Schaltplan- und PCB-Layout-Bereiche finden Sie in diesem imgur-Link . (Ich habe nicht genug Ruf, um sie alle hier zu posten.) Als ich es auf einem Steckbrett baute, sahen alle Signale gut aus. Die Bildschirm-Screenshots der Steckbrett-Nachfilterspannung (netto N$2) und der Rückkopplungsspannung (netto N$1) zeigen mittlere Spannungen innerhalb von 3 mV voneinander, also schien alles in Ordnung zu sein.

Störende Rückkopplungsspannung (netto 1 N$) auf der Platine bei vorhandener Last: -

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Als ich die Platine zusammengebaut und getestet habe, haben die Postfilter- und Rückkopplungsspannungen extreme Mengen an Rauschen (siehe Rückkopplungsplatine mit Lastbild). Das Rauschen nimmt zu, wenn die Spannung nach dem Filter ebenfalls zunimmt. Wenn die Lastspannung entfernt wird (aber immer noch mit eingestellter Nachfilterspannung), verschwindet das Rauschen; Siehe das Post-Filter-PCB-No-Load-Bild.

Mein erster Gedanke war, dass das PWM-Signal (netto ISET) das Problem verursachte, also schaltete ich das PWM aus und legte eine konstante Spannung an den Eingang des Operationsverstärkers (netto N $ 2). Dies führte immer noch zu den gleichen Geräuschproblemen. Ich habe dann die Lastspannung auf der Platine überprüft und festgestellt, dass sie auch laut ist. Als ich die Lastspannung auf einem Steckbrett mit einem Leistungswiderstand getestet habe, ist es mit einer Vpp von nur ~ 30 mV nicht verrauscht (es ist eine echte Apple iPhone-Wandwarze). Denken Sie auch daran, dass es keine Probleme mit der Implementierung des Steckbretts gab, sodass die Ladequelle nicht die Ursache der Probleme sein sollte.

Mein nächster Gedanke ist, die Rückkopplungsspannungsspur (netto N $ 2) abzuschneiden und mit einem Jumper von allem wegzuleiten, aber das würde die Zerstörung der Leiterplatte erfordern. Also, bevor ich dauerhafte Änderungen vornehme, hat jemand Vorschläge oder Gedanken, warum die PCB-Version nicht funktioniert, wenn das Steckbrett funktioniert? Hat es mit dem Trace-Routing zu tun? Vielen Dank für jede Hilfe!

Hier sind einige relevante Informationen:
Operationsverstärker: Microchip MCP604 (DIP für Steckbrett, SOIC für Leiterplatte)
Mosfet: NXP PSMN022-30PL
PWM: 15,6 kHz, 0-5
V Lastspannung: Apple iPhone Wall Wart, 5 V, 1 A

BEARBEITEN 1

Ich habe einige Änderungen vorgenommen, die Andy vorgeschlagen hat. Die Rückkopplungsspannung hatte ursprünglich einen pk-pk von 680mV bei einem Mittelwert von 130mV! Nach Verringern des Gate-Widerstands auf 50 Ohm betrug Vpp 650 mV. Reduzieren, wenn mehr, hatte keine Wirkung. Ich habe dann den Rückkopplungsspannungsfolgerpuffer entfernt. Dadurch wurde Vpp weiter auf 450 mV reduziert. Ich habe einen aktualisierten Schaltplan im Imgur-Link , den ich als nächstes ausprobieren werde.

BEARBEITEN 2

Die Oszillationen wurden behoben, indem der Inline-Widerstand und der Kondensator zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Anschluss hinzugefügt wurden. Ich habe auch den Gate-Widerstand gemäß dem Datenblatt des Operationsverstärkers auf 300 Ohm erhöht.

Antworten (1)

Es oszilliert unter Lastbedingungen, da der 100-Ohm-Widerstand, der das Gate speist, mit der Gate-Source-Kapazität (gut etwa 50% davon) ein Tiefpassfilter bildet und weitere einige zehn Grad Phasenverschiebung hinzufügt, und zwar bei einer hohen Frequenz der Phasenrand ist kein Rand mehr und oszilliert.

Zwei Dinge machen es noch schlimmer: -

  • Der 100 Ohm Widerstand (wie oben erwähnt)
  • Der Puffer-Operationsverstärker von den Messwiderständen in der Rückkopplungsschleife.

Sie könnten versuchen, diesen Puffer-Operationsverstärker loszuwerden und ihn durch einen Reihenwiderstand von Messwiderständen zum invertierenden Eingang des Hauptoperationsverstärkers zu ersetzen. Fügen Sie dann eine Rückkopplungskapazität von 10 nF zwischen invertierendem Eingang und Ausgang des Filters hinzu.

Oder Sie könnten diesen nicht benötigten Operationsverstärker einfach umgehen und sehen, was passiert UND den 100-Ohm-Widerstand reduzieren.

Danke für die Tipps! Warum sehe ich in Bezug auf den Widerstand und den Puffer die Probleme auf dem Steckbrett nicht?
Mehr Kapazität auf einem Steckbrett, längere Drähte usw. Kann die Dinge verbessern, macht die Dinge jedoch normalerweise schlechter.
@ user1022934 Ihr Schwingkreis scheint kaum zu schwingen , also haben, wie Andyaka sagt, winzige Unterschiede zwischen dem Layout von Steckbrett und Leiterplatte den Trick gemacht. Bei einigen Lastreaktanzen kann es immer noch schwingen . Ergreifen Sie Schritte, um die Phasenreserve zu erhöhen, wie Andy es beschrieben hat. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Stromversorgung des Operationsverstärkers auf Ihrer Platine gut umgangen ist.
Ich habe einen Screenshot des aktualisierten Schaltplans unter imgur.com/a/e768a veröffentlicht . Ist die Rückkopplungsschaltung das, was Sie vorschlagen?
Nein, die 10 nF sollten zwischen Pin 1 und Pin 2 liegen. Haben Sie versucht, IC3C einfach zu umgehen? Hast du auch versucht, die 100 Ohm zu senken?
Gefällt dir also dieser Link ? Ich habe den Hauptbeitrag bearbeitet, nachdem ich IC3C entfernt hatte; es senkte den Vpp ein wenig, aber es ist immer noch ein großes Problem. Das Absenken der 100 Ohm hatte auch einen minimalen Effekt.
Ja, das sollte funktionieren - hast du es geschafft zu sehen, mit welcher Frequenz es oszilliert?
Es oszillierte mit 1MHz. Der 10K-Inline-Widerstand und die 10nF-Kappe haben das Problem behoben! Ich habe auch den Gate-Widerstand auf 330 Ohm erhöht, da das Datenblatt einen 400-Ohm-Widerstand für eine Gate-Kapazität von ~450 pF vorschlug. Haben Sie Lesematerial für Operationsverstärker-Feedback-Designs? Es wird ziemlich frustrierend sein, die erforderlichen Änderungen vom Steckbrett- zum Leiterplattendesign vorherzusagen. Danke noch einmal!
Ich benutze nie Steckbretter, auch nicht in dreißig Jahren oder so. Ich bin sicher, wenn Sie ein wenig auf dieser Seite graben, werden Sie einige ähnliche Fragen und einige Fragen finden, die sich direkt auf die Nuancen von Steckbrettern beziehen. Wenn Sie in diesem speziellen Fall die Erfahrung oder das Wissen hätten, hätten Sie am ersten Tag die richtige Schaltung gemacht, da sie in die Kategorie der Phasenreserve in einem Operationsverstärker fällt. Übrigens, woher stammt das ursprüngliche Design?
Rauschen im Operationsverstärkerdesign oder EMI?
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