Verstärkung der Operationsverstärkerschaltung mit Stromausgang

Wie von @tek betont, müssen Sie sich auf die Schleifenverstärkung konzentrieren, um sicherzustellen, dass die Schaltung stabil ist. Ich kenne die spezifische Schaltung nicht, an der Sie arbeiten, aber ich nehme eine Vermutung an ...

Angenommen, Sie haben folgendes Setup:

Betrachten Sie die Schaltung aus der Perspektive eines Steuerungssystems. In einer Ihrer Fragen haben Sie erwähnt, dass Ihr Ausgang der Strom ist, aber was Sie hier tatsächlich überwachen, ist die Spannung.$V_{sense}$, das ist, was Sie Feedback und vergleichen. Aber ja, wenn Sie die Kontrolle über diese Spannung haben, haben Sie die Kontrolle über den Strom,$I_L$, zu. Wenn die Ausgabe der Eingabe folgt, dann:

$$V_{sense}\approx V_{in}=I_LR_{sense}$$

Nun sieht das Kontrolldiagramm wie folgt aus:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Der Operationsverstärker könnte mit einer zweipoligen (oder sogar einer einpoligen) Übertragungsfunktion modelliert werden.

Der Mosfet ist stärker involviert, aber wenn Sie das Kleinsignalmodell des Mosfets verwenden und den Eingang zum Ausgang tf finden, können Sie seine Übertragungsfunktion als System mit einer einzigen Zeitkonstante (Einzelpol) annähern. Bei niedrigen Frequenzen haben Sie einen Source-Follower, aber wenn die Frequenz zunimmt, müssen Sie sich um die Eigenkapazitäten kümmern ($C_{gd}$,$C_{gs}$, usw). Es kann sich lohnen, sich die Open-Circuit-Time-Constant-Methode anzusehen , um den Mosfet-TF an ein einfaches Modell erster Ordnung anzunähern, oder einen Blick auf dieses zu werfen , es zeigt das Verfahren zum Ermitteln des TF für den Source-Follower.

Ihre Modelle würden wie folgt aussehen:

$$A_{ol}=\dfrac{A_{DC}}{s/\omega_c+1}$$

für den Opamp und für den Mosfet:

$$M = \dfrac{1}{s/\omega_M+1}$$

$A_{DC}$ist die DC-Verstärkung, und$\omega_c$ist der Niederfrequenzpol für den Operationsverstärker.$\omega_M$ist die umgekehrte Summe aller relevanten Zeitkonstanten, die Sie für den Mosfet in einer Source-Follower-Konfiguration haben.

Für beide müssen die dominanten Pole gefunden werden, und diese sind geräteabhängig. Für die Mosfet-Seite müssen Sie den Lastwiderstand, den Erfassungswiderstand, die Eigenkapazitäten und die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers berücksichtigen (für den Spannungsfolger sieht der Operationsverstärker wie eine Quelle mit einer gewissen Quellenimpedanz aus, deshalb brauchen Sie um die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers zu berücksichtigen).

Mit diesen Modellen können Sie die Schleifenverstärkung (Phase, Verstärkungsspannen) auswerten und erhalten eine Vorstellung davon, wie stabil, instabil (oder fast instabil) die Schaltung ist. Die Schleifenverstärkung ist$A_{ol}M$. Sobald Sie ein Modell haben, von dem Sie glauben, dass es Ihrer Schaltung ähnelt, können Sie sich mit Kompensationstechniken (Lag, Lead) befassen.

Dies war nur eine allgemeine Richtlinie, wie man so etwas angeht, ich hoffe, es hilft.

HINZUFÜGEN:

Zur OP-Frage in den Kommentaren:

Wollen Sie sagen, dass die Verstärkung für das gesamte System als 1 angesehen werden kann, weil der Ausgang Vsense ist? Ich nehme an, für niedrige Frequenzen beträgt die Mosfet-Verstärkung 1 (Quellenfolger), wird aber geringer, wenn die verschiedenen Cs ins Spiel kommen, was bedeutet, dass die Verstärkung des Operationsverstärkers mit 1 / M steigen muss, um die Gesamtverstärkung von 1 beizubehalten? Bedeutet dies, dass mein Operationsverstärker unabhängig vom Mosfet usw. bei der erhöhten Verstärkung für die höheren Frequenzen stabil bleiben muss?

Ich weiß nicht, ob ich Ihre Frage richtig verstehe, aber in dem von mir gezeichneten Steuerungssystemmodell ist die Verstärkung des Operationsverstärkers die Open-Loop-Verstärkung, und diese Verstärkung fällt von selbst bei -20 dB / Dec (von einem ziemlich hohen Wert) ab Niederfrequenzpol. Abhängig von der Position des Pols in der MOSFET-Übertragungsfunktion ist nun die Schleifenverstärkung ($A_{ol}M$) wird nach diesem Pol noch schneller abklingen (-40dB/dec).

Ja, Sie haben Recht, Sie können sich vorstellen, dass die gesamte Systemverstärkung 1 ist, dh die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises, die Beziehung zwischen$V_{in}$Und$V_{sense}$ist 1. Sie könnten diese Verstärkung jedoch ändern, was wiederum die Schleifenverstärkung und Bandbreite reduziert, aber dies könnte der Kompromiss sein, den Sie zwischen mehr Stabilität (weniger Oszillation, Überschwingen) auf Kosten von weniger Bandbreite benötigen.

Ein Beispiel:

Ich werde Ihnen eine kurze Demo zeigen, wie so etwas funktionieren würde. Betrachten Sie denselben Operationsverstärker, den Sie in Ihrem Schaltplan zeigen, den TL081, und der Mosfet ist der IRF7413.

Das erste, was Sie sich vielleicht ansehen möchten, ist die Open-Loop-Verstärkung Ihres Operationsverstärkers. Sie finden sie hier :

Das ist nur der Operationsverstärker selbst, noch keine Interaktion mit dem MOSFET. Das erste, was Sie bemerken, ist, dass dies als Unity-Gain-Puffer sehr stabil ist, da der Phasenabstand mehr als 50 Grad beträgt (Verstärkung beträgt 1 bei etwa 3 MHz, und Sie messen den Unterschied zwischen -180 Grad und dem, was die Phase dabei ist Frequenz, um die Verstärkungsspanne zu finden).

Ich habe das TL081-Modell für LTSpice heruntergeladen und hier ist die Schleifenverstärkung:

Der Plot stimmt mit dem Datenblatt überein, soweit so gut (grün ist die Verstärkung, grün gepunktet ist die Phase). Außerdem können Sie im Cursorfenster sehen, dass die Phase bei einer Verstärkung von 1 -117 Grad beträgt, sodass Sie immer noch 63 Grad Spielraum haben, das ist die Phasenspanne.

Lassen Sie uns nun den MOSFET in das Modell aufnehmen und die Schleifenverstärkung ermitteln. Sie erhalten so etwas:

Beachten Sie, dass ich die Eingangsspannung auf 1 V eingestellt habe, also erwarte ich 1 V an$V_{sense}$(im Schaltplan als out bezeichnet) und damit ein Strom von 1A. Wenn wir uns ansehen, wie sich die Schleifenverstärkung und der Phasenabstand mit dem darin enthaltenen MOSFET ändern:

Der grüne Plot ist immer noch die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers selbst, der blaue entspricht der Loop-Verstärkung mit dem enthaltenen Mosfet. Und wie Sie im Cursorfenster sehen, hat sich der Phasenabstand stark verschlechtert, nur noch 10 Grad Phasenabstand (was bedeutet, dass vor dem Erreichen der Stabilität viel Oszillation auftritt). So was...

Um das Problem zu lindern, können Sie den Rückkopplungspfad etwas dämpfen (dies bedeutet eine Verstärkung der Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises). Durch Hinzufügen einer gewissen Dämpfung zur Schleifenverstärkung könnte das blaue Diagramm nach unten verschoben werden, bis zu einem Punkt, an dem Sie einen besseren Phasenabstand haben. Wenn Sie nur Widerstände in den Rückkopplungspfad einfügen, bleibt die Phase gleich (im Allgemeinen, es sei denn, sie sind zu groß, sodass Sie mit den parasitären Kapazitäten des Operationsverstärkers einen Pol erzeugen, andere Geschichte).

Angenommen, Sie haben jetzt diese Schaltung mit einer Verstärkung von 4 (1/4 Dämpfungsfaktor) für eine nicht invertierende Konfiguration:

Denken Sie jetzt daran, dass die Eingangsspannung durch die Verstärkung skaliert wird, da wir eine gewisse Verstärkung haben. Da die Verstärkung 4 beträgt, benötigen wir 0,25 V am Eingang, um 1 V zu erhalten$V_{sense}$. Der Phasenabstand hat sich mit diesem Setup auf etwa 35 Grad verbessert, wie Sie im Bode-Diagramm (und in den Cursorfenstern) sehen können:

Trotzdem ist die Phasenspanne nicht großartig, aber sie verbessert sich. Offensichtlich besserer Phasenabstand auf Kosten der Bandbreite. Sie könnten andere Kompensationstechniken evaluieren oder vielleicht ist so etwas gut genug für die Anwendung.

Wenn Sie den MOSFET im Sättigungsbereich halten, könnten Sie sich jetzt langweilen ...:

Eine Sache zu beachten ist, dass Sie nicht fahren können$V_{in}$zu hoch, weil es den Mosfet aus dem Sättigungsbereich lenkt. Wenn Sie die Eingangsspannung auf diesen Pegel erhöhen, wird der Strom durch bestimmt$V_{DD}$, der Lastwiderstand und der Messwiderstand ($V_{DS}\approx 0$für MOSFET im Triodenbereich, genau wie ein Schalter).

Idealerweise möchten Sie$I_L=\dfrac{V_{sense}}{R_{sense}}$, aber maximal$I_L$Sie können erreichen, passiert, wenn$V_{DS}\approx 0$, das ist:

$$I_{L,max}=\dfrac{V_{DD}-V_{DS}}{R_L+R_{sense}}\bigg|_{V_{DS}=0}=\dfrac{V_{DD}}{R_L+R_{sense}}$$

Und in Wirklichkeit wollen Sie auch$V_{DS}>V_{GS}-V_{th}$. Dadurch wird sichergestellt, dass der MOSFET im richtigen Bereich bleibt, da Sie sonst keine lineare Steuerung des Stroms durch Ändern der Eingangsspannung mehr haben – Sie erhalten den maximalen Strom.

Denken Sie daran, dass im Sättigungsbereich$i_L=K_n\big(v_{GS}-V_{th}\big)^2$. Sie möchten also einen geeigneten Arbeitspunkt für Ihren MOSFET finden, um den Strom linear zu steuern. Das heißt, wenn Sie eine kleine Änderung in Ihrem einführen$v_{GS}$, wird es linear auf eine Änderung des Stroms abgebildet,$i_L$. Mit anderen Worten, lass$i_L=I_L + \Delta i_l$Und$v_{GS}=V_{GS}+\Delta v_{gs}$.

Nachdem Sie die exponentielle Beziehung erweitert und die konstanten Terme ignoriert haben, finden Sie die folgende lineare Abbildung zwischen der kleinen Änderung in$\Delta v_{gs}$, Und$\Delta i_l$:

$$\Delta i_l=2\big(V_{GS}-V_{th}\big)\Delta v_{gs}$$

Wenn Sie also eine kleine Spannung zusätzlich zur Vorspannung hinzufügen, erhalten Sie eine entsprechende Variation zusätzlich zum Vorspannungsstrom. Der Operationsverstärker steuert$v_{GS}$für dich. Da Sie dem Operationsverstärker jedoch die Referenzspannung geben, müssen Sie auf den Arbeitspunkt achten, zu dem dies führt. Seien Sie realistisch in Bezug auf die maximale Strombegrenzung und die Tatsache, dass$V_{DS}$muss größer sein als$V_{GS}-V_{th}$.

Letzte Anmerkung, Sie brauchen das vielleicht nicht ...:

Wenn Sie die Schleifenverstärkung finden, müssen Sie die Schleife nur an einem „geeigneten“ Punkt öffnen, um die Eigenschaften der Schleife (Bias, Belastung usw.) zu erhalten. Sie haben es an einer geeigneten Stelle in Ihrem Schaltplan (die nach hinten gerichtete Impedanz ist viel kleiner als die nach vorne gerichtete Impedanz). Wenn Sie diesen geeigneten Punkt finden, reicht nur eine Spannungsmessung, wie Sie sie haben. Im Zweifelsfall können Sie die Methode von Middlebrook verwenden , die sowohl einen Strom als auch eine Spannung an der Stelle injiziert, an der Sie die Schleife öffnen. Auf diese Weise müssen Sie sich keine Gedanken darüber machen, wo Sie die Schleife öffnen (solange Sie beide Messungen durchführen). Dies ist das Setup, das ich hatte:

Sie finden Ihre Gewinne ($\dfrac{v_o}{v_i}$, Und$\dfrac{i_o}{i_i}$) und die Schleifenverstärkung ergibt sich aus:

$$\text{Loop Gain}=\dfrac{G_vG_i-1}{G_v+G_i+2}$$

Nur eine genauere Methode zum Messen der Schleifenverstärkung, obwohl das Einspeisen einer Spannung in der Praxis viel einfacher ist.

Tut mir leid, dass es lang geworden ist, aber ich hoffe, es klärt die Dinge ein wenig auf.

Was für die Stabilität wichtig ist, ist die Schleifenverstärkung , die die Gesamtverstärkung (Betrag und Phase) vom Eingang zum invertierenden Eingang ist.

Ich vermute, Sie haben diese Schaltung, da Sie keine gegeben haben:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Vernachlässigen Sie zunächst Cc und bedenken Sie, dass Rg (plus dem Schleifenausgangswiderstand) mit dem Ciss des M1 einen Tiefpassfilter bildet. Daher werden die Vgs von M1 phasenverschoben sein.

Cc bildet mit Rf1//Rf2 einen Hochpassfilter, der die entgegengesetzte Phasenverschiebung ergibt.

Um die Stabilität zu analysieren, beginnen Sie mit dem Phasenranddiagramm für Ihren Operationsverstärker und wenden Sie die Auswirkungen des Rückkopplungsnetzwerks (M1 usw.) an.

Der einfachste Weg, um Stabilität zu erreichen, besteht darin, die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises zu erhöhen (Rf2 kleiner zu machen).