为什么LTSpice不能预测运放的振荡?


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我正在开发一种电路,用作电子基准测试电源。关于如何测试该电路的更早问题得到了几个非常有用的答案,可以在这里找到:如何测试运放的稳定性?。这个问题是关于如何解释我的模拟和测试结果的。

这是在实验板上进行仿真和测试的电路原理图:

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LTSpice产生的图表明电路相当稳定。5V上升存在一个1mV的过冲,可在一个周期内消除。如果不进行大量放大,几乎看不到它。

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这是使用电路板上的示波器进行的同一测试的快照。电压上升小得多,周期更长,但是测试是相同的;将方波馈入运算放大器的同相(+)输入。

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如您所见,存在明显的过冲,可能是20%,然后在高信号持续时间内呈指数衰减到稳定振荡,并且在下降时出现一些轻微的过冲。低信号的高度仅为本底噪声(约8mv)。这与电路关闭时相同。

这是实验板构建的样子:

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MOSFET在散热器的顶部,通过黄色,红色和黑色导线连接。栅极,漏极和源极。通往小型原型板的红色和黑色电线分别为IN +和IN-,连接至面包板香蕉插孔,以避免功率电平电流通过面包板。测试中加载的电源是密封铅酸(SLA)电池,以避免电源本身出现任何不稳定情况。银跳线是从我的函数发生器中注入方波的地方。左下方的电阻器,二极管等是手动(基于电位计)负载水平设置子电路的一部分,未连接。

我的主要问题是:为什么LTSpice不能预测这种严重的不稳定性?如果这样做的话,将非常方便,因为这样我就可以模拟我的薪酬网络了。就目前而言,我只需要插入一堆不同的值并重新测试即可。

我的主要假设是,IRF540N的栅极电容未在SPICE模型中建模,而我正在驱动一个约2nF的电容性负载,这并未考虑在内。我认为这是不对的,因为我发现模型(http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi)中的电容看起来是正确的数量级。

有什么方法可以使仿真预测这种不稳定性,以便还可以调整补偿网络值?

结果报告:

好的,事实证明,我为LM358运算放大器使用的LTspice模型很旧,并且不够复杂,无法正确地对频率响应进行建模。由National Semi更新到相对较新的版本并不能预测振荡,但是清楚地显示出20%的超调,这给了我一些帮助。我还更改了脉冲峰值电压以匹配面包板测试,这使得过冲更容易看到:

具有更好LM358N模型的LTspice图

基于这种“反馈”,我从一致推荐的补偿方法开始,我认为这是支配极点补偿的一个例子。我不确定栅极电阻器是该电阻器的一部分还是第二种补偿方案,但这对我来说至关重要。经过大量的反复试验后,得出以下这些值:

补偿原理图

这产生了一个非常稳定的波形,尽管我想尽可能使上升和下降的幅度更大一些,以便更好地测试将在此负载下测试的电源的频率响应。我会稍后处理。

补偿LTspice图

然后,我在面包板上使用了新值,瞧,我明白了:

补偿范围镜头

我对此很激动:)

尤其是由于要适应新组件,我使面包板寄生虫变得更糟而不是变得更好:

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无论如何,这个愉快的结局,希望对其他在搜索中找到它的人有所帮助。我知道我会撕掉剩下的那只小头发,试图通过将不同的组件插入面包板来调入这些值:)


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LTSpice无法理解面包板和MOSFET之间的电感器(也称为跳线)。它还不了解使用面包板时0V可能采用的曲折路径。LTSpice WILL将对栅极电容进行建模,还值得注意的是,源电阻会将一个中值电阻与该栅极电容串联。
安迪(aka Andy)

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我使用的IRF540型号(PSpice)包含一个应用的批量门限值。2nF,1.1nF的栅极-源极电容和app的栅极-漏极电容。0.5nF。我想,这些问题是由于试验板的寄生L和C影响而产生的。您应该减少占用的区域(缩短连接线)。
LvW

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请参阅下面的答案(需要实际的运算放大器模型和补偿网络)。
LvW

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从运放Vcc到地的最小L串联ADd为0.1uF的低ESR电容。它看起来可能与现在连接到Vcc的物理相似,但没有巨大的耦合环路和长面包板走线。它可能会插入从引脚8到引脚4的整个IC主体,看起来很难看,但效果会无限提高。然后,在Vcc线进入面包板电源导轨的电源导轨上添加大电解盖。如果您现在可以自己连接电线,请以尽可能丑陋的方式将其直接从第4针直接连到第8针锡,这可能会有所帮助,...
Russell McMahon

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...但是您现在拥有的0.1 uF(代替之前的L + C)很有帮助。如果这没有帮助或没有足够的帮助,请尝试从运放输出到FET栅极使用一个10欧姆的电阻。通常,这是为了使事情变得比您看到的震荡更混乱,且原因更少。| 它可能在最相关的列表的后面,但是未使用的运算放大器的两个输入都接地不是一个坏主意,(可能是:-)-即Murphy有时还有其他主意。回报...。然后你可以看一下“什么是错我的意电路Q&A,其他人正在处理。
拉塞尔麦克马洪

Answers:


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LM358单元有不同的型号。基于“ LM358”的PSpice仿真产生了应用的相位裕度。50 ... 60度 但是显然,这是一个非常简单的模型。

但是,当使用LM358 / NS模型时,度稍微为!这解释了在测量期间观察到的不稳定性。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欧姆,C = 50 ... 100nF)提供app的相位裕量。50度 (模拟)。


这是一个重要的帮助。我从1989年开始使用LM358 Spice模型,它比我根据您的指针找到的LM358 / NS模型要简单得多。我还降低了在仿真中注入的方波幅度,使其与我的测试水平相匹配,并且在两者之间,我现在清楚地看到了20%的过冲,并伴随着指数衰减。振荡未出现在模拟图上,但是我现在对超调完全满意,确定是否可以很好地补偿振荡,振荡很可能随之而来。我将报告进展情况:)
斯堪尼

您能否澄清您提到的补偿内容的位置?您是否认为V.sense节点与反相输入之间为1kΩ,运算放大器输出与反相输入之间为100nF?我相信那将是支点补偿,不是吗?(只是让我的补偿类条款直指我:)
斯堪尼

谢谢@LvW,原来是问题所在。一旦有了更新的模型,它便使我走向成功。您会看到绿色的选中标记:)
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斯堪尼(Scanny),您现在已使用反馈电容器将运算放大器更改为集成器(转折频率非常低的低通)。当然,这会稳定整个电路,因为带宽会大大降低,这会导致不良的脉冲响应(上升时间增加)。在控制系统中,此方法称为“稳定至死亡”。如果可以忍受-很好。如果不是,您必须尝试更“棘手”的补偿。
LvW

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正如我在详细答案中告诉您的那样:运算放大器输出和地面之间的RC系列连接(0.5 ... 1 kOhm和50 ... 100nF)。
LvW

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LTSpice模拟无法说明您尚未输入的电路项目:在这种情况下,您的面包板布线正在添加一个过滤器(此时为RLC过滤器)。

当您开始将(几乎)方波驱动到放大器中时,您将看到阶跃响应。在最初对输入进行脉动的时刻(长时间保持安静),您会看到衰减的响应瞬态(在前几个开关周期内很明显),然后变得更接近您的预期。

尽管FET可能足够低以驱动放大器,但通常做法是通过电阻将栅极电容去耦。这将在FET的栅极处形成一个低通滤波器,因此需要权衡电路对放大器振铃/过冲的响应,这是在初始阶跃响应消失后可以看到的。从反相输入到电路参考(地)也有一个极点,通常会在反馈环路中看到一个容量大约相同的小电容器来对此进行补偿。

您应该使用的值取决于电路布局,但是在这种情况下,我将从大约100pF开始(在正确布局的PCB上,该值更像是5pF至10pF)。

放大器振铃时,数据表中可能会有一些曲线图显示过冲/下冲与各种电容性负载的关系。这在现代放大器数据表中非常普遍。

高温超导


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


谢谢亚历山大,这些值是一个很好的起点,然后我从那里进行了调整:)
scanny
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