为什么 LTSpice 不能预测这种运算放大器振荡?

电器工程 运算放大器 场效应管 香料 振荡
2022-01-07 14:19:24

我正在开发一个电路来充当基准测试电源的电子负载。关于如何测试此电路的较早问题收到了几个非常有用的答案,可以在此处找到:如何测试运算放大器稳定性?. 这个问题是关于如何解释我的模拟和测试结果。

这是在面包板上模拟和测试的电路原理图:

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LTSpice 生成的图表明该电路相当稳定。5V 上升时有 1mV 过冲,在一个周期内解决。如果不放大一点,几乎看不到它。

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这是使用面包板电路上的示波器进行的相同测试。电压上升要小得多,周期较长,但测试是一样的;将方波馈入运算放大器的非反相 (+) 输入。

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正如您所看到的,存在明显的过冲,可能为 20%,然后在高信号持续时间内呈指数衰减至稳定振荡,并且在下降时有一些轻微的过冲。低信号的高度只是本底噪声(约 8mv)。这与电路关闭时相同。

这是面包板构建的样子:

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MOSFET 位于散热器顶部,由黄色、红色和黑色导线连接;分别为栅极、漏极和源极。通向小型原型板的红线和黑线分别为 IN+ 和 IN-,连接到面包板香蕉插孔,以避免功率级电流通过面包板。测试中加载的电源是密封铅酸 (SLA) 电池,以避免电源本身的任何不稳定。银色跳线是从我的函数发生器注入方波的地方。左下方的电阻器、二极管等是手动(基于电位器)负载电平设置子电路的一部分,未连接。

我的主要问题是:为什么 LTSpice 不能预测这种显着的不稳定性?如果这样做会非常方便,因为这样我就可以模拟我的补偿网络。就目前而言,我只需要插入一堆不同的值并重新测试。

我的主要假设是 IRF540N 的栅极电容没有在 SPICE 模型中建模,我正在驱动一个未考虑的 ~2nF 容性负载。我认为这不太正确,因为我看到模型(http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi)中的电容看起来是正确的数量级。

有什么方法可以让模拟预测这种不稳定性,以便我还可以调整我的补偿网络值?

结果报告:

好吧,事实证明,我用于 LM358 运算放大器的 LTspice 模型已经很老了,而且还不够复杂,无法正确模拟频率响应。National Semi 更新到相对较新的版本并没有预测到振荡,但清楚地显示了 20% 的超调,这给了我一些工作的余地。我还更改了脉冲峰值电压以匹配我的面包板测试,这使得过冲更容易看到:

具有更好 LM358N 模型的 LTspice 图

基于这个“反馈”,我从一致推荐的补偿方法开始,我认为这是主极点补偿的一个例子。我不确定栅极电阻器是该方案的一部分还是第二个补偿方案,但事实证明它对我来说至关重要。以下是经过大量试验和错误后我最终得出的值:

补偿原理图

这产生了一个非常稳定的波形,尽管如果可以的话,我想让上升和​​下降得更尖锐一些,以更好地测试我将在这个负载下测试的电源的频率响应。我稍后会解决这个问题。

补偿 LTspice 图

然后我在面包板上使用了新值,你瞧,我得到了这个:

补偿范围射击

我对此非常兴奋:)

特别是因为为了适应新组件,我使面包板寄生效应变得更糟而不是更好:

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无论如何,这一个很愉快地结束了,希望这有助于其他在搜索中找到它的人。我知道我会撕掉我留下的小头发,试图通过将不同的组件插入面包板来拨入这些值:)

3个回答

LM358 单元有不同的型号。基于“LM358”的 PSpice 仿真导致 app 的相位裕度。50...60 度 但显然,这是一个非常简单的模型。

但是,当使用 LM358/NS 型号时,裕度会稍微一些!这解释了在测量过程中观察到的不稳定性。因此,反馈方案的外部稳定是必要的。

补偿:运算放大器输出节点处的补偿方案(串联 R=500...1000 Ohms 和 C=50...100nF)提供 app 的相位裕度。50度 (模拟)。

LTSpice 模拟无法解释您尚未输入的电路项目:在这种情况下,您的面包板接线添加了一个滤波器(即 RLC 滤波器)。

当您开始将(几乎)方波驱动到放大器中时,您看到的是阶跃响应。在您最初对输入进行脉冲处理(已长时间保持安静)时,您会看到阻尼响应瞬变(在前几个开关周期中很明显),然后变得更接近您的预期。

尽管 FET 可能是一个足够低的电容以供放大器驱动,但通常的做法是通过一个电阻器对栅极电容进行去耦。这将在 FET 的栅极形成一个低通滤波器,因此需要权衡电路响应对放大器振铃/过冲的影响,这就是您在初始阶跃响应消失后看到的情况。从反相输入到电路参考(地)还有一个极点,通常会在反馈回路中看到一个具有相同电容的小电容器来补偿这一点。

您应该使用的值取决于电路布局,但在这种情况下,我会从大约 100pF 开始(在正确布局的 PCB 上,这个值更像是 5pF 到 10pF)。

在放大器振铃时,数据表中可能会有图表显示过冲/下冲与各种容性负载的关系。这在现代放大器数据表中很常见。

高温高压

我不会应用这样的方案。该方案很容易转换为稳定方案。在晶体管的输出和栅极之间放置电阻 R1 = 1kOhm。在晶体管的源极和运算放大器的反相输入之间放置一个电阻器 R2 = 10kOhm。在运算放大器的输出和反相输入之间放置一个电容 C1 = 1000pF。