เหตุใด LTS จึงไม่คาดการณ์ความผันผวนของแอมป์นี้


15

ฉันกำลังพัฒนาวงจรเพื่อทำหน้าที่เป็นโหลดอิเล็กทรอนิกส์สำหรับเครื่องทดสอบกำลังไฟฟ้า คำถามก่อนหน้านี้เกี่ยวกับวิธีการทดสอบวงจรนี้ได้รับคำตอบที่เป็นประโยชน์มากมายและสามารถพบได้ที่นี่: วิธีทดสอบความเสถียรของ op amp . คำถามนี้เกี่ยวกับวิธีตีความการจำลองและผลการทดสอบของฉัน

นี่คือวงจรวงจรเป็นแบบจำลองและทดสอบบนเขียงหั่นขนม:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

พล็อตที่ผลิตโดย LTSpice แสดงว่าวงจรค่อนข้างเสถียร มีการเร่งเกิน 1mV ในการเพิ่มขึ้น 5V ที่แก้ไขได้ในรอบเดียว สามารถมองเห็นได้แทบไม่ต้องซูมเลยสักนิด

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

นี่เป็นช็อตของการทดสอบเดียวกันโดยใช้ขอบเขตบนวงจร breadboarded แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นมีขนาดเล็กมากและระยะเวลานาน แต่การทดสอบจะเหมือนกัน; ป้อนคลื่นสี่เหลี่ยมเข้าไปในอินพุตที่ไม่กลับด้าน (+) ของ op-amp

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

อย่างที่คุณเห็นมีการพูดเกินจริงอย่างมีนัยสำคัญบางทีอาจเป็น 20% จากนั้นการสลายแบบเอกซ์โปเนนเชียลจะทำให้เกิดความผันผวนอย่างต่อเนื่องในช่วงระยะเวลาของสัญญาณสูงและมีบางส่วน ความสูงของสัญญาณต่ำเป็นเพียงพื้นเสียง (ประมาณ 8mv) นี่เป็นเช่นเดียวกับเมื่อปิดวงจร

นี่คือลักษณะของโครงสร้างของ breadboard:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

MOSFET อยู่ที่ด้านบนของฮีทซิงค์เชื่อมต่อด้วยสายสีเหลืองสีแดงและสีดำ ประตูท่อระบายน้ำและแหล่งที่มาตามลำดับ สายสีแดงและสีดำที่นำไปสู่โปรโตบอร์ดขนาดเล็กคือ IN + และ IN- ตามลำดับเชื่อมต่อกับแจ็คกล้วยเขียงขนมปังเพื่อหลีกเลี่ยงกระแสไฟฟ้าระดับผ่านเขียงหั่นขนม แหล่งพลังงานที่โหลดในการทดสอบคือแบตเตอรี่ตะกั่ว - กรดปิดผนึก (SLA) เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่เสถียรในแหล่งพลังงานเอง จัมเปอร์สีเงินเป็นที่ที่คลื่นสี่เหลี่ยมถูกฉีดจากเครื่องกำเนิดฟังก์ชั่นของฉัน ตัวต้านทานไดโอด ฯลฯ ที่ด้านล่างซ้ายเป็นส่วนหนึ่งของการตั้งค่าระดับโหลดด้วยตนเอง (ใช้โพเทนชิโอมิเตอร์) โหลดวงจรย่อยและไม่ได้เชื่อมต่อ

คำถามหลักของฉันคือ: ทำไม LTSpice ไม่ทำนายความไม่แน่นอนที่สำคัญนี้ มันจะมีประโยชน์จริงๆถ้าทำได้เพราะหลังจากนั้นฉันสามารถจำลองเครือข่ายการชดเชยของฉันได้ เพราะมันทำให้ฉันต้องเสียบค่าต่าง ๆ และทดสอบซ้ำ

สมมติฐานหลักของฉันคือความจุเกตของ IRF540N นั้นไม่ได้เป็นแบบจำลองในแบบจำลอง SPICE และฉันกำลังขับโหลดตัวเก็บประจุแบบ capacitive ~ 2nF ที่ไม่ได้รับการพิจารณา ฉันไม่คิดว่ามันค่อนข้างถูกต้องเพราะฉันเห็นความจุในโมเดล ( http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi ) ที่ดูเหมือนจะเป็นลำดับความสำคัญ

วิธีใดที่ฉันจะได้รับการจำลองเพื่อทำนายความไม่แน่นอนนี้ดังนั้นฉันจึงสามารถปรับค่าเครือข่ายการชดเชยได้ด้วย

รายงานผลการวิจัย:

ตกลงมันกลับกลายเป็นว่ารุ่น LTspice ที่ฉันใช้สำหรับ LM358 op-amp นั้นค่อนข้างเก่าและไม่ซับซ้อนพอที่จะจำลองการตอบสนองความถี่ได้อย่างเหมาะสม การอัปเดตเป็นรุ่นที่ค่อนข้างเร็วโดย National Semi ไม่ได้ทำนายการสั่น แต่แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเกินกำหนด 20% ซึ่งทำให้ฉันทำงานได้ ฉันยังเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของพัลส์เพื่อให้ตรงกับการทดสอบเขียงหั่นขนมของฉันซึ่งทำให้มองเห็นได้ง่ายกว่า:

LTspice plot ด้วยรุ่น LM358N ที่ดีกว่า

จากคำติชมนั้นฉันเริ่มต้นด้วยวิธีการชดเชยที่แนะนำเป็นเอกฉันท์ซึ่งฉันเชื่อว่าเป็นตัวอย่างของการชดเชยเสาหลัก ฉันไม่แน่ใจว่าตัวต้านทานเกตเป็นส่วนหนึ่งของแผนการชดเชยที่สองหรือไม่ แต่มันก็สำคัญสำหรับฉัน ต่อไปนี้เป็นค่าที่ฉันได้รับหลังจากการทดลองใช้และข้อผิดพลาดในจำนวนพอใช้:

แผนชดเชย

สิ่งนี้ทำให้เกิดรูปแบบของคลื่นที่มีความเสถียรมากถึงแม้ว่าฉันต้องการที่จะเพิ่มขึ้นและลดลงมากขึ้นถ้าฉันทำได้เพื่อทดสอบการตอบสนองความถี่ของแหล่งจ่ายไฟที่ดีกว่าที่ฉันจะทดสอบกับโหลดนี้ ฉันจะทำงานในภายหลัง

พล็อต LTspice ที่ชดเชย

จากนั้นฉันก็ใช้ค่าใหม่บน breadboard และดูเถิดและฉันก็ได้สิ่งนี้:

ขอบเขตการชดเชยการยิง

ฉันค่อนข้างแคร์เรื่องนี้ :)

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากเพื่อให้พอดีกับส่วนประกอบใหม่ฉันได้ทำให้ปรสิตเบเกอร์บอร์ดแย่ลงมากกว่าดีกว่า:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

อย่างไรก็ตามสิ่งนี้จบลงอย่างมีความสุขหวังว่าสิ่งนี้จะช่วยให้ผู้อื่นที่พบเจอในการค้นหา ฉันรู้ว่าฉันขาดสิ่งเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่ฉันทิ้งไว้ให้พยายามโทรหาค่าเหล่านี้โดยการสอดแนมส่วนประกอบที่แตกต่างกันใน breadboard :)


1
LTSpice ไม่เข้าใจตัวเหนี่ยวนำ (aka Wire jumpers) ระหว่างเขียงหั่นขนมและ MOSFET นอกจากนี้ยังไม่เข้าใจเส้นทางคดเคี้ยวที่เป็นไปได้ที่ 0V จะใช้เมื่อใช้เขียงหั่นขนม LTSpice WILL ตัวเก็บประจุแบบเกทและมันก็เป็นที่น่าสังเกตว่าค่าความต้านทานแหล่งที่มาจะใส่ตัวต้านทานค่ากลางในซีรีย์ที่มีค่าความจุเกต
แอนดี้อาคา

1
โมเดล IRF540 ที่ฉันใช้ (PSpice) มีฝาแอปขนาดใหญ่ของแอป 2nF, ฝาปิดแหล่งที่มาของ 1.1nF และฝาปิดของแอป 0.5nF ฉันคิดว่าปัญหาที่เกิดขึ้นเนื่องจากอิทธิพลของกาฝาก L และ C เขียงหั่นขนม คุณควรลดพื้นที่ที่ถูกครอบครอง (สายเชื่อมต่อสั้นลง)
LvW

1
ดูคำตอบของฉันด้านล่าง (โมเดล opamp จริงและเครือข่ายการชดเชยจำเป็น)
LvW

1
เพิ่มแคป ESR ต่ำ 0.1uF ด้วยซีรี่ส์ L ที่น้อยที่สุดที่เป็นไปได้จาก op amp Vcc จนถึงกราวด์ มันอาจมีลักษณะทางกายภาพคล้ายกับที่เชื่อมต่อกับ Vcc ตอนนี้ แต่ไม่มีลูปการเชื่อมต่ออันยิ่งใหญ่และแทร็กเขียงยาว มันอาจจะเสียบเข้ากับตัว IC จาก 8 ถึง 4 และดูน่าเกลียด แต่ทำงานกึ่งดีกว่าอนันต์ จากนั้นเพิ่มหมวกไฟฟ้าขนาดใหญ่ข้ามรางจ่ายไฟที่สาย Vcc เข้าสู่รางจ่ายไฟ หากคุณสามารถพาตัวเองไปเดินเล่นในตอนนี้ด้วยวิธีการดูน่าเกลียดจากพิน 4 ถึง 8 ได้โดยตรงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ...
Russell McMahon

1
... แต่ราคาต่อรองคือ 0.1 uF ที่คุณมีอยู่ตอนนี้ (แทนที่ L + C ก่อนหน้า) จะช่วยได้มากพอ ถ้าสิ่งนั้นไม่ได้ช่วยหรือช่วยได้มากพอลองใช้ตัวต้านทาน 10 โอห์มจากเอาต์พุต opamp ไปยังเกท FET โดยปกติแล้วจะหยุดสิ่งต่าง ๆ ที่ปลอมมากขึ้นและมีเหตุผลน้อยกว่าความผันผวนที่คุณเห็น | อาจเป็นรายการของจุดที่เกี่ยวข้องมากที่สุด แต่การต่อสายเข้าของ opamp ที่ไม่ได้ใช้ทั้งสองนั้นไม่ใช่ความคิดที่ไม่ดี (อาจ :-) - นั่นคือ Murphy บางครั้งมีแนวคิดอื่น ๆ ) รายงานกลับ ... . จากนั้นคุณสามารถดู "สิ่งที่ผิดปกติกับวงจรคำถามและคำตอบที่ฉันต้องการที่คนอื่น ๆ กำลังเผชิญอยู่
Russell McMahon

คำตอบ:


10

มีรุ่นที่แตกต่างกันสำหรับหน่วย LM358 การจำลอง PSpice ตาม "LM358" ส่งผลให้ระยะขอบของแอพ 50 ... 60 องศา แต่เห็นได้ชัดว่านี่เป็นแบบจำลองที่ง่ายมาก

อย่างไรก็ตามเมื่อใช้โมเดล LM358 / NS ระยะขอบจะเป็นลบเล็กน้อย! สิ่งนี้จะอธิบายความไม่แน่นอนที่สังเกตได้ระหว่างการวัด ดังนั้นความเสถียรภายนอกของรูปแบบการป้อนกลับจึงเป็นสิ่งจำเป็น

การชดเชย : รูปแบบการชดเชย (การเชื่อมต่ออนุกรม R = 500 ... 1,000 โอห์มและ C = 50 ... 100nF) ที่โหนดเอาต์พุต opamp ให้ระยะขอบของแอพ 50 องศา (จำลอง)


นี่เป็นความช่วยเหลือที่สำคัญ ฉันใช้โมเดล LM358 Spice จากปี 1989 ซึ่งง่ายกว่ารุ่น LM358 / NS ที่ฉันพบจากตัวชี้ของคุณ ฉันยังลดความกว้างของคลื่นสี่เหลี่ยมจตุรัสบนแบบจำลองเพื่อให้ตรงกับระดับการทดสอบของฉันและระหว่างพวกเขาทั้งสองตอนนี้ฉันเห็นชัดเจนเกินกว่า 20% ด้วยการสลายตัวแบบทวีคูณที่เพิ่มขึ้น การสั่นไม่ปรากฏบนพล็อตการจำลอง แต่ตอนนี้ฉันพอใจอย่างเต็มที่กับการโอเวอร์โหลดและคิดว่าถ้าฉันสามารถชดเชยความผันผวนนั้นได้อย่างเป็นระเบียบ ฉันจะรายงานเกี่ยวกับวิธีการที่จะไป :)
scanny

คุณช่วยอธิบายตำแหน่งของส่วนประกอบการชดเชยที่คุณพูดถึงได้หรือไม่ คุณกำลังคิด1kΩระหว่างโหนด V.sense และอินพุตกลับหัวและ 100nF ระหว่างเอาต์พุต op-amp และอินพุตกลับหัว? นั่นจะเป็นการชดเชยเสาหลักที่ฉันเชื่อว่าใช่มั้ย (เพียงแค่ได้รับการชดเชยแง่ชนิดของฉันตรงในหัวของฉัน :)
scanny

ขอบคุณ @LvW นี่เป็นปัญหา เมื่อฉันได้รับการอัปเดตโมเดลในนั้นมันทำให้ฉันอยู่บนเส้นทางสู่ความสำเร็จ คุณจะได้รับเครื่องหมายถูกสีเขียว :)
scanny

Scanny ด้วยตัวเก็บประจุคำติชมตอนนี้คุณได้เปลี่ยน opamp เป็น intergator (lowpass ด้วยความถี่ของมุมที่เล็กมาก) แน่นอนว่าสิ่งนี้ทำให้วงจรทั้งหมดมีความเสถียรเนื่องจากแบนด์วิดธ์ลดลงอย่างมาก - ด้วยผลของการตอบสนองของพัลส์ที่ไม่ดี (เพิ่มเวลาเพิ่มขึ้น) ในระบบควบคุมวิธีนี้เรียกว่า "ความเสถียรต่อความตาย" หากคุณสามารถอยู่กับมันได้ - ดี หากไม่เป็นเช่นนั้นคุณต้องลองการชดเชยแบบ "ยุ่งยาก" มากกว่านี้
LvW

1
ดังที่ฉันได้บอกคุณในคำตอบโดยละเอียดของฉัน: การเชื่อมต่อ RC ซีรี่ส์ระหว่างเอาต์พุตของ opamp และกราวด์ (0.5 ... 1 kOhm และ 50 ... 100nF)
LvW

3

การจำลอง LTSpice ไม่สามารถอธิบายรายการของวงจรที่คุณไม่ได้ป้อน: ในกรณีนี้การเดินสายบอร์ดของคุณซึ่งกำลังเพิ่มตัวกรอง (ตัวกรอง RLC ที่นั้น)

สิ่งที่คุณเห็นคือการตอบสนองขั้นตอนเมื่อคุณเริ่มขับคลื่นสี่เหลี่ยม (เกือบ) เข้าไปในเครื่องขยายเสียง เมื่อถึงจุดที่คุณพัลส์อินพุตเป็นครั้งแรก (เมื่อเงียบ ๆ เป็นเวลานาน) คุณจะเห็นการตอบสนองแบบหน่วง (เห็นได้ชัดในช่วงแรกของการสลับสองสามรอบ) จากนั้นเข้าใกล้สิ่งที่คุณคาดหวัง

แม้ว่า FET น่าจะมีความจุต่ำพอที่จะให้แอมป์ขับได้ แต่ก็เป็นเรื่องปกติที่จะแยกความจุของเกตผ่านตัวต้านทาน สิ่งนี้จะสร้างตัวกรองความถี่ต่ำที่ประตูของ FET ดังนั้นจึงเป็นการแลกเปลี่ยนการตอบสนองของวงจรต่อแอมพลิฟายเออร์เสียงเรียกเข้า / โอเวอร์จู๊ตซึ่งเป็นสิ่งที่คุณเห็นเมื่อการตอบสนองขั้นตอนแรกหายไป นอกจากนี้ยังมีเสาจากอินพุตที่กลับเข้าสู่การอ้างอิงวงจร (กราวด์) และเป็นเรื่องธรรมดาที่จะเห็นตัวเก็บประจุขนาดเล็กในลูปข้อเสนอแนะของความจุประมาณเดียวกันเพื่อชดเชยสิ่งนี้

ค่าที่คุณควรใช้ขึ้นอยู่กับรูปแบบวงจร แต่ในกรณีนี้ฉันจะเริ่มต้นด้วยประมาณ 100pF (บน PCB ที่จัดวางอย่างถูกต้องค่านี้จะคล้ายกับ 5pF ถึง 10pF)

ในการขยายเสียงเรียกเข้าอาจมีกราฟในแผ่นข้อมูลที่แสดงการโอเวอร์โหลด / อันเดอร์เทียบกับโหลด capacitive ต่างๆ นี่เป็นเรื่องธรรมดาในเอกสารข้อมูลเครื่องขยายเสียงที่ทันสมัย

HTH


2

ฉันจะไม่ใช้รูปแบบดังกล่าว รูปแบบนี้จะถูกแปลงเป็นเสถียรได้อย่างง่ายดาย ระหว่างเอาท์พุทและเกทของทรานซิสเตอร์ใส่ตัวต้านทาน R1 = 1kOhm ระหว่างแหล่งที่มาของทรานซิสเตอร์และอินเวอร์เตอร์อินพุตของแอมพลิฟายเออร์ด้านการดำเนินงานใส่ตัวต้านทาน R2 = 10kOhm ระหว่างเอาต์พุตและอินพุทอินพุทของแอมพลิฟายเออร์ด้านการดำเนินงานให้ใส่ตัวเก็บประจุ C1 = 1000pF


ขอขอบคุณอเล็กซานเดค่าเหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีและผมก็ปรับพวกเขาในจากที่นั่น :)
scanny
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.