Stromquelle mit unbegrenzt oszillierendem Cap-Drive-Operationsverstärker

Ich habe versucht, eine Stromquelle zu erstellen, und habe endlich einige LM8261 in die Hände bekommen , die ein Operationsverstärker mit "unbegrenztem Cap-Drive" sein sollten. Das Problem ist, dass es immer noch schwingt.

Dies ist der Schaltplan und das PCB-Layout:

schematisch

PCB-Layout

Ich habe versucht, die Masse innerhalb des Schleifenbereichs in der Nähe des 5-V-Anschlusses für den Operationsverstärker zu verlegen, damit ich die Bypass-Kondensatoren so nah wie möglich platzieren kann. Obwohl die größere 10uF-Kappe eines ihrer Beine an der Grundplatte hat (habe vergessen, diese Kappe in das schematische Bild aufzunehmen).

So sieht es aus, wenn ich das Gate des MOSFET untersuche:

Geltungsbereich1

Es ist überall.

Ich habe versucht, einen 10-uF-Kondensator über das DUT hinzuzufügen, also von VDD nach Masse. Dadurch wurde ein Großteil des seltsamen Rauschens entfernt und es sah fast wie eine Sinuswelle aus:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich habe es mit und ohne Gate-Widerstand R1 versucht, es schien keinen Unterschied zu machen.

Was ist los? Irgendwelche Hinweise, warum das einfach nicht funktioniert?

BEARBEITEN:

Ich habe es gelöst! Mit der Hilfe von @Andyaka unten habe ich seine Lösung zum Einfügen eines BJT-Emitterfolgers zwischen Operationsverstärker und MOSFET zusammen mit einem Integrator verwendet und einige großartige Ergebnisse erzielt!

Endschaltung:

Finale

Die Simulationen sind hier zu sehen:

https://imgur.com/a/tBprTjh

Die Verstärkungs-/Phasen-Bode-Plots, die ich auf der Platine erstellt habe:

G/P-Diagramm

Bandbreite von ca. 350kHz! Sehr erfreut.

@ G36: Ja, eine solche Reduzierung der Bandbreite könnte vielleicht ausreichen, aber das war der Sinn der Verwendung des LM8261, dies sollte nicht notwendig sein. Ich möchte es nicht zu Tode stabilisieren, ich möchte eine Art Bandbreite haben, wie vielleicht eine Schleifenbandbreite von 100 kHz oder 200 kHz :)
@ Linkyyy G36 ist jedoch richtig. Sie müssen das oder etwas Ähnliches ziemlich genau tun. (Ich denke, die Antworten von Andy und Mat haben dieses Problem, das G36 bereitwillig für Sie erfasst hat, völlig verfehlt.)
@jonk: Aber warum? Der Operationsverstärker sollte in der Lage sein, diese Last zu bewältigen, oder?
@Linkyyy Machen Sie einen Bode-Plot. Es sollte ziemlich offensichtlich werden, wenn Sie es ohne den Kondensator betrachten.

Antworten (3)

Ich habe versucht, eine Stromquelle zu erstellen, und habe endlich einige LM8261 in die Hände bekommen, die ein Operationsverstärker mit unbegrenztem Cap-Drive sein sollten.

Einen Chip zu finden, der eine kapazitive Last treiben kann, ist eine Sache, aber die Verwendung eines 1 kOhm in Reihe mit dem Ausgang, um diese kapazitive Last zu treiben, ist problematisch.

Grund: Die 1 kOhm und die MOSFET-Gate-Source-Kapazität bilden einen Tiefpassfilter innerhalb der Rückkopplungsschleife und drücken die Phasenreserve des Operationsverstärkers bei einer mittleren bis hohen Frequenz auf 0 Grad, wodurch die Schaltung zu einem Oszillator wird.

Sehen Sie sich den Phasenabstand im Datenblatt an und beachten Sie, dass sich das Phasenabstandsdiagramm in die blaue Linie verwandelt, die ich unten gezeichnet habe, wenn Sie den 1-kOhm-Widerstand und etwa zwei Drittel der Gate-Source-Kapazität berücksichtigen: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und die Phasenreserve kreuzt null Grad (dh sie wird zu einem Oszillator) bei etwa 1 oder 2 MHz (magentafarbener Kreis). Wie habe ich das gemacht, fragen Sie sich vielleicht?

Nun, obwohl sich in der Source des MOSFET ein Widerstand befindet, trägt er nicht viel zur Reduzierung der Gate-Kapazität bei - er könnte sie auf etwa zwei Drittel reduzieren, sodass eine 900-pF-GS-Kapazität und ein 1-kOhm-Widerstand einen Tiefpassfilter mit bilden ein 3-dB-Punkt bei 265 kHz. Bei dieser Frequenz beträgt die eingeführte zusätzliche Phase 45 Grad, daher habe ich einen roten Punkt 45 Grad tiefer gezeichnet.

Dann habe ich eine fünf- oder zehnmal höhere Frequenz in Betracht gezogen, nur damit ich ungefähr genau bestimmen kann, wo die hinzugefügte Phasenverschiebung bei etwa 90 Grad begrenzt, und den 2. roten Punkt gezeichnet.

Dann habe ich die beiden Punkte in Blau verbunden und einen magentafarbenen Kreis gezeichnet, in dem der Phasenabstand auf 0 Grad geändert wird (der Punkt der Oszillation im geschlossenen Regelkreis, an dem negatives Feedback genau positives Feedback wird).

Es ist keine sehr genaue Technik, aber sie kann Ihnen sagen, ob Sie auf Schwierigkeiten stoßen werden.

Ich hatte überhaupt keinen Gate-Widerstand und er oszillierte immer noch. Ich habe ein paar Werte ausprobiert, 100 Ohm, 1 k, um zu sehen, ob es einen Unterschied machen würde, aber das tat es nicht
@Linkyyy Der Operationsverstärker selbst hat einen Innenwiderstand in seinem Ausgang, der den "schlechten Job" genauso effektiv erledigt, außer dass die Oszillationsfrequenz wahrscheinlich höher ist, weil der Widerstand kleiner ist.
Das macht eigentlich viel mehr Sinn. Der Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers kann ziemlich hoch sein, da sich der Mosfet in der Rückkopplungsschleife befindet. Welche Art von Bandbreite ist Ihrer Meinung nach in einer Operationsverstärker- / Mosfet-Konfiguration erreichbar? Ich hatte auf so etwas wie 100 kHz oder mehr gehofft, aber es scheint, dass dies mit einem Mosfet mit dieser Eingangskapazität irgendwie unmöglich ist.
Viele Leute verwenden aus diesem Grund BJTs, aber wenn Sie die Ausgangstreiberströme von einem MOSFET benötigen, können Sie mit einem BJT-Emitterfolger experimentieren, der den MOSFET antreibt - dies bedeutet, dass der 1-kOhm-Widerstand weggelassen werden kann, da jetzt der Operationsverstärker treibt aufgrund des Einfügens des BJT eine höhere Impedanz an. Der BJT-Emitter benötigt wahrscheinlich 330 Ohm bis 0 Volt, um eine Hochfrequenzleistung zu erzielen und diese mit dem MOSFET-Gate zu verbinden ....
... Wenn es Ihnen nur gelingt, die Oszillationsfrequenz um mehrere MHz zu erhöhen, ist dies ein Anfang, da Sie möglicherweise 33 pF (oder so ungefähr) zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang absenken können, um eine kleine HF-Verstärkung zu entfernen und vielleicht hast du glück. Ich würde zuerst die Simulation wärmstens empfehlen - versuchen Sie, sie mit etwa 1 MHz zum "Singen" zu bringen, und probieren Sie dann den BJT-Puffer aus. MOSFET-basierte Konstantstromschaltungen, die mit mehr als einigen zehn kHz arbeiten, sind schwierig.
Vielen Dank. Ich habe einige Open- und Closed-Loop-Simulationen mit der gemeinsamen BJT-Kollektorkonfiguration durchgeführt, und es sieht gut aus. https://imgur.com/a/tBprTjh . Wenn ich es schließe und ein Wechselstromdiagramm vom Eingang zum Gate des MOSFET mache, ist es sehr flach und hat eine Bandbreite von etwa 180 kHz.
Ich habe versucht, die Teile auf der Platine im Labor auszuschlachten, und es sieht so aus, als wären die Schwingungen jetzt weg! Ich habe versucht, mit dem Oszilloskop einen Frequenz-Sweep durchzuführen, und ich habe festgestellt, dass bei etwa 25-30 kHz merklich mehr Verstärkung vorhanden war als bei niedrigeren Frequenzen, und dann abfiel. Als ob es eine Frequenzspitze in der Antwort des geschlossenen Blicks um 25-30 kHz gibt. Ich bin mir nicht sicher, wie oder warum. Hast du irgendwelche Anhaltspunkte?
@Linkyyy es ist gut, dass du die Schwingungen losgeworden bist. Können Sie die überarbeitete Schaltung und möglicherweise den Frequenzgang der geschlossenen Schleife posten? Wie groß ist der Buckel in den mittleren Frequenzen in dB? Die Open-Loop-Antwort sieht übrigens ausgezeichnet aus. Ich bin sehr zufrieden damit. Fügen Sie die Bilder als "Bearbeitungsabschnitt" am Ende Ihrer ursprünglichen Frage hinzu, um die größtmögliche Klarheit für Personen zu erhalten, die über diese Frage stolpern, da dies für andere Personen nützlich sein könnte, die eine Breitbandstromquelle / -senke wünschen.
Ich habe das Album mit der Closed-Loop-Simulation aktualisiert: https://imgur.com/a/tBprTjh . Ich hatte keine BNC-Ausrüstung zur Verfügung, daher konnte ich keinen Verstärkungs- / Phasenanalysator verwenden. Ich habe den Signalgenerator des Oszilloskops verwendet und die Frequenz manuell gewobbelt. Ich werde sehen, ob ich nächste Woche etwas Ausrüstung ausleihen kann, um die richtigen Messungen durchzuführen, aber im Grunde glaube ich, dass ich so etwas gesehen habe: https://i.imgur.com/fDP0CZ4.png mit der Spitze bei etwa 25-30 kHz und die Größenordnung 3-6dB (etwa doppelt so hoch wie die Spannung). Also nichts wie die Simulation
Es könnte der lokale Rückkopplungskondensator von 1 nF sein - vermutlich hielten Sie dies für erforderlich, und ich frage mich, ob er abgesenkt werden kann und sehen, ob sich der Buckel bewegt. Es könnte eine Layoutsache sein, obwohl Ihr Layout OK aussieht. Dies ist Neuland für mich und ich weiß, dass es schwierig sein kann, sie bei dieser Art von Bandbreite anständig zum Laufen zu bringen. Haben Sie versucht, den Emitterwiderstand auf den von mir erwähnten Wert von 330 Ohm zu erhöhen? Wie man sieht, kratze ich mich ein bisschen am Kopf!
Gute Nachrichten! Ich habe mir einige BNC-Kabel ausgeliehen und diese an die Platine gelötet, um bessere Verstärkungs- / Phasendiagramme zu erstellen, und es ist jetzt viel besser! Ich habe den ersten Beitrag mit den Ergebnissen aktualisiert und werde Ihren Beitrag als Lösung markieren. Vielen Dank für Ihre Hilfe!
Diese Ergebnisse sehen gut aus. Eine Anmerkung - einige Leute möchten vielleicht die letzte Schaltung sehen (mich eingeschlossen!). Vielleicht können Sie es für die Nachwelt dem Beitrag hinzufügen, falls Imgur es vermasselt. Dies war eine nützliche Übung.
Ich werde das machen!

Sie verwenden höchstwahrscheinlich dieselbe Stromversorgung, um (VDD) und (+5V) zu erzeugen. Wenn der Operationsverstärker dann den Spannungspegel des Gates erhöht, senkt der Mosfet zu viel Strom, was zu einem Abfall von VDD und +5 V führt. Dadurch wird der Operationsverstärker vorübergehend ausgeschaltet, was die Oszillation verursacht.

Ich habe die 5-V-Schiene und die VDD-Schiene auf 2 separaten Einheiten betrieben, um sicherzustellen, dass dies nicht passiert :)

Sie müssen sich darüber im Klaren sein, dass "unbegrenzter Cap-Antrieb" Ihnen in dieser speziellen Schaltung nichts bringt, da ein Kondensator nicht direkt angesteuert wird. Bei einer Vdd von 5 Volt und einem Gate-Widerstand von 1 k beträgt der maximal erforderliche Strom 5 mA. Oder, wenn Sie möchten, beträgt die Mindestimpedanz am Ausgang 1k.

Darüber hinaus haben Sie zusätzlich zum Ladeproblem eine zusätzliche Verstärkungsstufe (den FET), die das Schleifenverhalten sicherlich verkomplizieren wird.

Stromquelle mit unbegrenzt oszillierendem Cap-Drive-Operationsverstärker
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