Análisis de CA del bucle opamp en LTspice

Estoy construyendo una carga ficticia de CC electrónica y tengo un problema con la estabilidad/oscilaciones.

Este es mi circuito:
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Vset: controla la corriente, cuando se establece en 100 mV, produce 500 mA en la derivación
Vout1: Vshunt multiplicado por 40 por U1
Vout2: salida de U2, impulsa el mosfet M1
power_in: es de 10 V y le agregué algo de ruido.

Vout1 y Vout2 oscilan.

poder_en:
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Vout1:
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Estoy tratando de hacer un análisis de CA, para poder hacer algunos ajustes.
Entiendo que el bucle no es estable si el cambio de fase es de 180 ° y la ganancia es superior a 0dB.
Leí que tengo que romper la retroalimentación e insertar una pequeña señal para el análisis de CA.
Esto es lo que he hecho:
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El análisis de CA es este:
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¿Es correcto este método? Busqué en Google algunos ejemplos, pero solo pude encontrar ejemplos simples que no pude aplicar a mi circuito.
El problema es que el resultado del análisis de CA indica que la ganancia es siempre inferior a 0dB y el cambio de fase por debajo de 180 ° (bueno, tal vez para una frecuencia más alta alcance los 180 °).

En este punto estoy atascado, agradezco cualquier ayuda o consejo sobre cómo hacer correctamente el análisis de CA.

ACTUALIZACIÓN:
Cargué el archivo fuente para LTspice:
https://www.dropbox.com/s/iol9l4zr8wo7j1a/dc_load_heat_test.asc?dl=0

Es muy probable que este tipo de sumidero de corriente (controlado a través de un circuito de retroalimentación) necesite un integrador. Para empezar, probaría con un límite más bien pequeño (1 nF) en R7. No creo que C5 esté haciendo mucho por ti.
¿Verificó que la solución de CC es correcta después de interrumpir el circuito de retroalimentación de CA?
@PeterSmith Gracias por las sugerencias, pero mi interés es resolver ese problema de análisis de CA.
@ThePhoton No, no hice la "solución DC". ¿Qué quieres decir con eso?
@ThePhoton Hice el "punto de operación de DC". ".op 0 1m 0", que me dio voltajes correctos (Vset=0.1V, Vshunt=0.0025V, Vout1=0.09999V)
Es posible que desee ordenar el esquema y colocarlo en algún lugar para que las personas lo descarguen y lo prueben por sí mismos. No veo por qué pondría el estímulo de CA donde lo hizo en lugar de en algún lugar en la entrada de opamps. Además, el valor de L1 es un poco irreal. Además, ¿por qué eligió ese opamp? No parece ser muy bueno para ese propósito.
@PlasmaHH L1 está ahí para romper el circuito de retroalimentación de CA, y C7 está ahí para aislar la tierra de la CC. Vi esto en varios foros para analizar los márgenes de ganancia y fase del bucle. Se supone que L1 y C7 no son realistas. Debe ser extremadamente alto para este análisis. Elegí LTC2050HV debido al voltaje de compensación de entrada muy bajo ( electronics.stackexchange.com/questions/335934/… ), pero ese no es el punto. El punto de esta pregunta es cómo hacer un análisis de bucle de dicho circuito.
@PlasmaHH Subí ese archivo, agregué un enlace a la pregunta.
@Chupacabras: para "arreglar" su problema inmediato, coloque un límite en paralelo con R7. Ahora, para el análisis, pondría un estímulo de CA en paralelo con power_in y ejecutaría el análisis de CA de 1 a 10 MHz y posiblemente pasaría ese capacitor a través de los valores para observar cómo cambia las cosas. No estoy seguro de si esto es "lo correcto", pero replica lo que quiero saber: cuántas frecuencias se transfieren al circuito de retroalimentación. Esto por cierto. por supuesto, cambiará la respuesta al paso.
Dos requisitos importantes para las mediciones de bucle: (1) El punto de funcionamiento de CC de bucle cerrado debe conservarse resp. y (b) las propiedades de carga en la apertura no deben cambiarse (resp. establecidas). Hay muchos documentos y contribuciones sobre cómo se puede hacer esto.
@LvW ¿Cómo establecer el punto de operación de CC en LTspice? Me parece que las fuentes de voltaje de CC se ignoran durante el análisis de CA.
@LvW Lo verifiqué y el punto de operación de CC parece estar bien. He verificado los voltajes de CC en todos los nodos, todos son correctos.
Si lo solucionaste, publica una respuesta.
@ laptop2d No, mi problema aún no está resuelto, desafortunadamente. Mi comentario anterior estaba dirigido solo al comentario de LvW.
¿Por qué tiene un inductor de 100H en su circuito de control? 100H es mucho. ¿Quiso decir 100uH?
@laptop2d Ya lo respondí en comentarios anteriores. Fue recomendado en algunos foros. Su propósito es romper el bucle de la señal de CA. Eso no es de mi cabeza. ¿Sugiere otro método para el análisis de CA del bucle? Si es así, agregue una respuesta con detalles.
A ver si esto tiene algún sentido...
Es correcto romper el bucle de ca usando un gran inductor (100 H o incluso más). Por lo tanto, el bucle de CC y el punto de funcionamiento de CC no se ven afectados. Como otro paso, debe insertar la señal de prueba de CA en el bucle utilizando un condensador muy grande. Esto funciona siempre que la carga en la apertura de CA no cambie demasiado. En caso afirmativo, debe imitar la carga con componentes adicionales.
Como puedo ver, no hay problema de carga (entrada opamp a través de 100 ohmios). Por lo tanto, todo parece estar bien.
No, gran error: C7 debe estar ENTRE la fuente de CA y el circuito. (no a tierra).
@Chupacabras, ¿ayuda la respuesta a continuación?
@ laptop2d parece prometedor, pero no pude encontrar tiempo hoy. Intentaré analizar (pensar) tu respuesta mañana.
@LvW realmente no importa si C7 es anterior o posterior a V4. C7 y V4 se pueden intercambiar. JosefC me dio una respuesta adecuada. El circuito está cableado correctamente, pero tengo que trazar -V(vout1)/V(fb) en lugar de V(vout1).
Chupacabras - ¡tienes razón, por supuesto!

Respuestas (2)

@Chupacabras En su simulación para la ganancia de bucle, configura C7 en 100F. Estos están en Spice 100 femto Farad. Pero L1 y C7 deberían tener valores muy grandes. 1G o 100G no es problema, porque es solo una simulación.

La expresión correcta para la ganancia del bucle es V(Vout1)/V(X), donde X es el nodo entre (V4,L1,R9).

Como ya se mencionó LvW en los comentarios, no hay problema de carga en esta configuración.

Probé 100F y 100G, no hace ninguna diferencia. Probé V(Vout1)/V(X) pero el gráfico muestra que no existe tal frecuencia donde la ganancia es más de 0dB y el cambio de fase -180°. Hasta donde yo sé, esas son las condiciones para la oscilación. El cambio de fase está entre +122° y -27° cuando la ganancia está por encima de 0dB. ¿Me estoy perdiendo de algo?
Me perdí una señal. La ganancia del bucle es -V(Vout1)/V(VX). Una buena descripción está en allaboutcircuits.com/technical-articles/…
¡Excelente! Eso es todo. Gracias por el enlace. Ahora tengo un análisis de CA adecuado para mi circuito, puedo modificarlo y puedo ver que realmente funciona :)

El problema es que está confundiendo su entrada de control, todavía tiene un sistema de circuito cerrado como se muestra a continuación, pero necesita identificar qué partes son cuáles.

U1 es H, si encontró una función de transferencia para U1, podría sustituirla por H

U2 es G y el punto de suma

θ 1 es su entrada, que desea que sea un valor de CC; sin embargo, si desea analizar el bucle, debe cambiar su punto de control.

Hay algunas formas de identificar un sistema de control, una de ellas es mediante el barrido de la frecuencia, desea hacer esto en la entrada de control y luego mirar la salida. (o diferentes puntos en el sistema)

En su segundo intento, estaba tratando de inyectar el análisis de CA después de H y antes del punto de suma, lo que supongo que podría hacerse, pero hay una manera mucho más fácil y podría usar la teoría de control para verificar la estabilidad. Sí, un bloque de CA e inyectar CA en su 'bucle de sensor' pueden funcionar, pero también lo hará un análisis de CA de su entrada de control.

Editar: en realidad, debería haber estado revisando Vshunt (en el análisis a continuación, estaba revisando Vout2). Vshunt es su salida real θ o pero están bastante cerca en la respuesta de CA, así que estoy divagando ...

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Fuente: Tutoriales de electrónica ws: Sistema de circuito cerrado

Así es como cambié su archivo para hacer un análisis de circuito cerrado adecuado, puse una nueva fuente de voltaje V4 en la terminal positiva de U2 (su punto de referencia de control). También le di una amplitud de 0.5V y un parámetro DC que variaba de 1 a 5V.

.step param R list 0.1 0.3 0.6 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
V4 N003 0 {R} AC 0.5

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Espera, ¿y si hacemos zoom? Sí, hay una resonancia de 3dB en vout1, pero de 40dB en vout2. eso es malo (en las dos primeras ejecuciones que corresponden a los parámetros de 0,1 y 0,3 V CC). El resto de las carreras no tienen resonancia.

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¿Qué pasa si movemos ese capacitor? Sí, 6db, eso es mejor, no muy bueno, podría ser aceptable. Te dejaré arreglar el resto.

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En primer lugar, gracias por su respuesta y alimento para el pensamiento. Pero hay algo que no me queda claro. Entonces, ¿está ignorando por completo el cambio de fase en este análisis? ¿Cómo decides a partir de esos gráficos si el bucle es estable o habrá oscilaciones?
Si ve una joroba más alta que la banda de paso (como se ve en todas las figuras, entonces eso significa oscilaciones) Si esto es un problema depende de los requisitos de diseño de su diseño que no sé (como cuánto ancho de banda necesita). ) En segundo lugar, estas oscilaciones solo ocurren a potencias más bajas (a 0,1 V y 0,3 V CC), por lo que puede que no sea un problema para su diseño. Si es así, será necesario sacrificar el ancho de banda y se podría usar otro 'polo' en el bucle para eliminar ese comportamiento oscilatorio. O aumentando C5
No he definido ninguna banda de paso, por lo que las oscilaciones a cualquier frecuencia son un problema. Modifiqué mi circuito (para que no oscile) pero su método todavía muestra alguna joroba. Cuando miro este gráfico, no puedo determinar si el bucle oscilará o no. En realidad, JosefC me dio una respuesta a mi pregunta de qué estaba buscando. De todos modos, su respuesta me ayudó a identificar otro problema. El Mosfet que se utiliza (IRF530) en esta simulación no es el adecuado. Tiene Rdson demasiado alto, lo que hace que U2 se sature y eso rompe las oscilaciones para voltajes más altos en Vset.
Análisis de CA del bucle opamp en LTspice
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