Operationsverstärker + Mosfet = Stromquelle. Warum brauchen wir einen Rückkopplungswiderstand?

R2 (10k R4 in meinem Diagramm) soll zusammen mit C1 (1nF Kondensator) einen Miller-Integrator bilden, um unerwünschte Oszillationen zu verhindern. Und ja, diese Schaltung oszilliert manchmal, hauptsächlich aufgrund eines schlechten PCB-/Breadboard-Designs. Und hier haben Sie ein Beispiel aus der realen Welt (das Steckbrett).

Ohne die Miller-Kapazität:

Und nachdem ich die Miller-Kapazität in die Schaltung eingefügt habe:

http://www.ecircuitcenter.com/Circuits_Audio_Amp/Miller_Integrator/Miller_Integrator.htm

BEARBEITEN

Heute teste ich diese Schaltung nochmal. Und das Ergebnis sind: Für RG = 0 Ohm ; RF = 10 kOhm ohne Miller-Kapazitätsschaltung oszillieren (I_load von 1 mA auf 1 A).

Aber Überraschung Überraschung Wenn ich den HF-Widerstand (10K) kurzschließe, verschwinden die Schwingungen auf magische Weise (selbst wenn RG = 1K Ohm).

Es scheint also, dass die Hauptursache für eine Schwingung in meiner Schaltung ein Rückkopplungswiderstand war. Ich vermute, dass HF zusammen mit der Eingangskapazität des Operationsverstärkers und einer gewissen parasitären Kapazität der Schaltung einen Pol (Verzögerung) hinzufügt und die Schaltung zu schwingen beginnt.
Ich ändere sogar den Operationsverstärker auf "viel schneller" (TL071). Und die Ergebnisse waren fast gleich, außer der Tatsache, dass die Schwingungsfrequenz viel höher war (713 kHz).

Sie benötigen keinen Rückkopplungswiderstand und C1 auch nicht. Ich denke, der "Designer" hat eine seltsame Wahrnehmung, dass die Schaltung ohne sie oszillieren wird, aber das wird es nicht.

• Eine Oszillation tritt auf, wenn Q1 eine Verstärkung liefert – dies wird nicht der Fall sein, da es sich um einen Quellenfolger handelt.
• Eine Oszillation tritt auf, wenn Q1 eine signifikante Phasenverschiebung erzeugt, und dies ist eher eine Möglichkeit, aber immer noch unwahrscheinlich, wenn der Wert von R1 (Gate-Widerstand) niedrig gehalten wird.

Tatsächlich ist R1 aufgrund der Anwesenheit von R3 für Anforderungen wahrscheinlich überflüssig.

Hier ist eine Beispielschaltung von Analog Devices: -

Ich sehe die beiden Widerstände und den Kondensator in diesem Schema nicht. Wenn Sie für diese Anwendung einen schlechten Operationsverstärker wie den LM358 verwenden (aufgrund von Eingangsoffsetspannungen, die Ungenauigkeiten im Strom verursachen), sollten Sie die Verwendung eines Bipolartransistors in Betracht ziehen, wie im Datenblatt auf Seite 18 gezeigt: -

Ich glaube jedoch, dass es mit einem MOSFET funktionieren wird, vorausgesetzt, Sie verwenden keinen Gate-Widerstand (oder einen sehr kleinen). Es gibt viele Beispiele für die Verwendung des LM358 mit MOSFETs ohne alle "Extras": -

Dies ist eine Standardkonfiguration für die Handhabung einer kapazitiven Last wie lange Kabel (innerhalb einer standardmäßigen Stromsenkenkonfiguration).

Der Zweck von R1/R2/C1 besteht darin, den Ausgang des Operationsverstärkers von der kapazitiven Last zu entkoppeln, die durch die MOSFET-Gate/Source-Kapazität in Reihe mit R3 dargestellt wird .

Es ist unnötig, wenn R3 im Vergleich zur Ausgangsimpedanz des offenen Regelkreises des Operationsverstärkers (zwischen 8 und 70 Ohm für übliche gewöhnliche Operationsverstärker ** mit Versorgungsströmen im Bereich von ~ 1 mA pro Verstärker) erheblich groß ist oder der MOSFET eine niedrige Eingangskapazität hat. oder ob der Operationsverstärker für den Betrieb mit einer großen oder unbegrenzten kapazitiven Last ausgelegt ist (wenn eine dieser drei Bedingungen zutrifft).

R1 isoliert die Last, während C1/R2 einen zweiten Rückkopplungspfad bereitstellt (auch bekannt als „In-Loop-Kompensation“). Wenn Sie R1 haben, sollten Sie C1/R2 haben. R1 allein verschlimmert die Situation.

** Sie müssen sehr vorsichtig mit Operationsverstärkern mit geringer Leistung sein, die oft empfehlen, kapazitive Lasten von nur mehr als 100 pF zu isolieren.

Bearbeiten: @G36 hat eine reale Messung bereitgestellt, die den Effekt veranschaulicht (+1). Es würde wahrscheinlich nicht mit R2 = 0 oszillieren$\Omega$statt 330, aber das hängt vom verwendeten MOSFET und von der Last im Drain-Kreis ab. In jedem Fall wird die Phasenreserve verringert, was zu einem Überschwingen/Unterschwingen des Stroms führt.

Edit': Informationen zur Auswahl der Werte für eine bestimmte Situation finden Sie in dieser Referenz. R2 sollte ein Wert sein, der viel höher als R3 ist und nicht so niedrig, dass er übermäßig Offset oder andere schlechte Effekte verursacht. Sagen wir normalerweise im Bereich von 1K-10K, aber es könnte für sehr niedrige Leistung bzw. hohe Frequenzen höher oder niedriger sein.

Wählen Sie also einen Wert für C1. Der Mindestwert von R2 ist:

$R_2 (min) = C_L \frac{R_O + R_1}{C_1}$wobei RO der Open-Loop-Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers und C_L die Lastkapazität ist.

Wenn also die Lastkapazität 10 nF einschließlich Miller-Effekt beträgt, R1 100 Ohm, RO 100 Ohm und C1 100 nF beträgt, dann ist R2 (min) = 20 Ohm. Die gezeigte Schaltung (wenn meine Annahmen vernünftig sind) ist also stark überkompensiert und reagiert viel träger als nötig.

Wenn wir C1 = 100pF wählen, dann ist R2 = 10K. Oder Sie könnten 1nF und 1K verwenden.

Der Kondensator in dieser Schaltung verhindert eine Stromspitze, wenn die Schaltung eingeschaltet wird. Wenn die Schaltung ausgeschaltet ist, ist sie vollständig entladen, und wenn sie sich einschaltet, ist der Ausgang VC und der Strom ist entweder ausgeschaltet oder niedriger als der Zielwert. Der negative Anschluss des Operationsverstärkers wird mit dem Ausgang des Operationsverstärkers angesteuert. Der Ausgang steigt dann an, bis der Sollwert erreicht ist.

Wenn nicht vorhanden, liegt der negative Anschluss des Operationsverstärkers auf Masse, während der Ausgang des Operationsverstärkers auf eine Spannung ansteigt, die höher als das Ziel ist, da er die Gate-Kapazität über 100 Ohm treibt und möglicherweise gesättigt werden kann. Wenn der FET eingeschaltet wird, kann ein Überschwingen auftreten, wenn sich der Operationsverstärker von der Sättigung erholt.

Nun, es ist eine seltsame Schaltung. Nicht unbedingt schlecht.

Denken Sie daran, dass der Ausgang des Operationsverstärkers eine kleine Signalmasse ist und Sie sehen werden, dass R2 und C1 einen Tiefpassfilter bilden. Das R1, das gegen das Transistorgate wirkt, wirkt auch ein bisschen wie ein Filter.

C1 injiziert auch Änderungen am Ausgang des Operationsverstärkers zurück in den invertierenden Eingang und beschleunigt so seine Reaktion auf Schrittänderungen am Steuereingang. Dies hat den Effekt, dass die Reaktion des Operationsverstärkerausgangs verlangsamt wird.

Die Optimierung der Schaltung hängt unter anderem von der Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers ab.

Interessanterweise ermöglicht dies alles zusammen, dass diese Schaltung für dynamische Änderungen in der Last und in der Eingangsreferenz etwas unabhängig voneinander optimiert werden kann.