Oscilación parásita en la etapa de refuerzo BJT de la fuente de corriente controlada por voltaje

He construido una fuente de corriente controlada por voltaje para conducir LED de alta potencia. En esencia, es un FET de canal N de potencia en serie con el LED cuya compuerta se controla en referencia a una resistencia de detección de lado bajo de 1 ohmio. He incluido una etapa de refuerzo BJT dentro de este circuito de retroalimentación para permitir la modulación de alta frecuencia del voltaje de la puerta y, por lo tanto, la corriente de carga. Estoy apuntando a ~ 100ns 1A tiempos de encendido. El circuito se muestra aquí como referencia:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El bucle de retroalimentación es estable y funciona como se desea. Sin embargo, parece haber una oscilación parásita en el seguidor del emisor formado por Q1 dentro de la etapa de refuerzo BJT. Esto da como resultado una ondulación de ~20 mA sobre la corriente del LED para las señales de referencia de CC. La oscilación se ve montada en la corriente del LED pero no está presente en el voltaje de referencia.

Seguimiento del osciloscopio que muestra el voltaje de referencia (amarillo) y el pulso de corriente del LED (azul, 1A/V) con la pequeña oscilación montada sobre él:Pulso LED de 1 amperio

Igual que la última imagen con desplazamiento 1A y zoom:Versión ampliada con desplazamiento 1A

Creo que se trata de una oscilación parásita local en lugar de inestabilidades en el ciclo de retroalimentación porque:

  1. Si rompo el circuito de retroalimentación y aplico voltajes de CC al nodo de entrada base (etiquetado como "A" en el diagrama del circuito), la oscilación persiste.
  2. Al pinchar la base de Q2 (etiquetada como "B" en el diagrama) con un par de pinzas de metal mientras mi mano también toca un punto de tierra, se elimina la oscilación de la primera parte del pulso. La oscilación parece desaparecer al comienzo del pulso de corriente, pero regresa rápidamente a los 10 usec más o menos en el pulso. Tengo fotos de esto, pero no puedo mostrarlas porque mi reputación es demasiado baja.
  3. Aumentar el valor del capacitor de compensación (C6) no afecta la frecuencia de la oscilación.

He intentado jugar con los valores de los topes base (R1, R2) añadiendo capacitancia entre varios terminales de Q1 y Q2 y no he encontrado una solución que elimine totalmente esta oscilación. Cualquier consejo sería muy apreciado.

EDITAR Esquema fijo para incluir elementos de desacoplamiento de la fuente de alimentación.

EDITAR Esquema fijo para incluir la resistencia de la serie del interruptor analógico MAX4564.

Lo primero que haría sería eliminar C5. Lo segundo que haría sería agregar resistencias base (10-100 ohmios) a Q3 y Q4. Lo tercero que haría sería aumentar R7 y R8. Sin embargo, lo que en realidad voy a hacer es dormir. ¡Buena suerte!
Gracias. Probaré los tapones base en Q3,4 pero soy escéptico debido al hecho de que pinchar el nodo B en el circuito con pinzas de metal de mano parece tener el mayor efecto. Puse R7, R8 en el circuito para evitar la fuga térmica al reducir la ganancia de Q3,4 con el aumento de la corriente de salida. No sabía que también podrían tener un efecto en la estabilidad del circuito. ¿Puedes ampliar esa parte?
Pruebe un mejor desacoplamiento del riel de alimentación.
@Andyaka He dejado fuera del diagrama algunos condensadores pequeños de cerámica y de desacoplamiento a granel en aras de la simplicidad. Agregar más, por ejemplo, C1,2 directamente a los colectores de Q1, Q2 fue lo primero que probé. ¿Dónde cree que hay otros nodos críticos donde podría intentar agregarlos?
NO deje componentes afuera, esto hace perder el tiempo a las personas.
@Andyaka Lo siento mucho, los he agregado. Dos cerámicas 10uF 1206 X7R en los rieles de alimentación junto con un par de electrolíticos a granel. Supongo que para ser completo, debo mencionar que los rieles de este circuito son proporcionados por dos reguladores lineales con sus propios elementos de desacoplamiento. ¿Vale la pena incluirlos también?
¿Ha intentado agregar la resistencia en serie con la entrada inversora opamp?
@KevinWhite Sí, lo tengo. Estaba leyendo sobre técnicas de compensación, por lo que podría tener algo ligeramente informativo para informar en respuesta a su respuesta a continuación. La historia corta es que en realidad parecía empeorar las cosas. El circuito ahora suena incluso durante la fase de "apagado", cuando el voltaje de la puerta cae por debajo del umbral.
@jonnew - Inesperado. La otra cosa que parece inusual es por qué C5 está allí. Eso dañará la respuesta de fase del amplificador. Sugiero quitarlo.
@jonnew R7 y R8 reducirán la ganancia de Q3, Q4 (como dijiste), lo que a su vez puede reducir la susceptibilidad a la oscilación. De manera similar, los topes de base en Q3,4 reducirán la ganancia a altas frecuencias al reducir el Vbe disponible a altas frecuencias; recuerde que a altas frecuencias, el hFE es bajo, por lo que se requerirá más corriente de base.
@jonnew Su carga (la puerta MOSFET) es casi puramente reactiva. Si es un paquete TO220, probablemente tenga al menos 10 nH de inductancia en la puerta en serie con cualquiera que sea la capacitancia de la puerta. Esta es una receta para la inestabilidad. Intente poner una red zobel en la salida (puerta MOSFET a GND lo más cerca posible de R7 y R8). 2.2R en serie con 10nF sería mi punto de partida por experiencia, pero será un caso de "chupar y ver". .
@Matthew Me he abierto camino a través de todas sus sugerencias. Gracias por eso. Desafortunadamente, ninguno de ellos funcionó para mi problema. El único efecto notable fue la Red Zobel, que aumentó considerablemente el sobreimpulso en la parte ascendente de la onda cuadrada. Sin embargo, incluso en ese caso, la oscilación de 20 MHz recorrió la forma de onda durante todo el camino, lo que indica que realmente son dos problemas diferentes. Encontré algo que funcionó: simplemente puse una resistencia de 1 kOhm desde la salida del amplificador operacional (Nodo A) a tierra. Eso resolvió la oscilación. Aunque no sé por qué. Sería genial entender.
@jonnew Mi mejor suposición sería: el amplificador operacional de riel a riel tiene una topología de salida de emisor común y la etapa de salida parece una fuente actual con un bucle de control. No tiene retroalimentación de CC directa como en la hoja de datos, sino que tiene algo así como una carga de 100k. La carga de alta impedancia en una fuente de corriente tiende a ser inestable.

Respuestas (2)

Necesita una resistencia entre la resistencia de detección y la entrada inversora del opamp.

Aunque haya colocado correctamente una tapa de retroalimentación para el opamp, el polo está determinado por la resistencia de alimentación y el capacitor: ¡lo está alimentando con 1 ohm!

Probaría una resistencia en serie de algunos kilohmios.

Traté de hacer esto con varios valores de resistencia en serie. Cada valor en realidad empeoró la situación. Ciertamente limitó el ancho de banda del bucle como era de esperar, pero la oscilación parásita de ~20 MHz todavía estaba presente y en realidad se extendió a la parte "apagada" de la forma de onda. Después de mucha consideración, finalmente me di cuenta de que cometí un error en mi esquema. Hay un interruptor analógico (MAX4564) en la ruta de retroalimentación que introduce ~40 ohmios de resistencia en serie antes de la entrada inversora del amplificador. Olvidé incluir esta resistencia en mi esquema, que ahora he actualizado.
Encontré una manera de resolver el problema, pero no lo entiendo: simplemente puse una resistencia de 1 kOhm desde la salida del amplificador operacional (Nodo A) a tierra. Eso resolvió la oscilación. Todavía se puede ver una pequeña parte (un ciclo más o menos) justo después del flanco ascendente, pero luego desaparece en el siguiente ciclo. ¿Cómo podría estar funcionando esto?
La resistencia entre la derivación de corriente y la entrada del amplificador operacional es necesaria. No es una solución para la oscilación, es una solución que garantiza que el circuito sea robusto :)

A altas frecuencias, la impedancia de salida del opamp OA2 aumenta y es inductiva. Más allá de la frecuencia de esquina del transistor f β (que es aproximadamente f t /β), el transistor transforma la impedancia inductiva en la base del transistor Q1 en una impedancia negativa en el emisor de Q1. El emisor de Q1 tiene una carga de alta impedancia. Cuando la impedancia general en el nodo emisor Q1 se vuelve negativa, el circuito oscila.

La solución funciona porque la resistencia está en paralelo con la salida inductiva del opamp. Esto hace que la impedancia general en este nodo sea menos inductiva. También puede estar cambiando el punto de operación del amplificador operacional de modo que la impedancia de salida disminuya. Si la solución aún funciona cuando se agrega un capacitor en serie con la resistencia de carga, entonces la solución no se debe a cambiar el punto de operación del opamp. Este capacitor puede ser útil al disminuir la corriente de carga de CC en el amplificador operacional y también permitir potencialmente que se use un valor más bajo. El condensador puede elegirse para que solo presente esta carga a altas frecuencias, donde la impedancia de salida es inductiva.

Gracias, Tom. Me gustaría probar esta respuesta. 1. Si coloco un límite después de la resistencia de 1k y aún funciona (lo que significa que la resistencia solo tendrá un efecto de CA, podemos estar bastante seguros de que la causa de la oscilación se debe a la impedancia de salida inductiva del OA a altas frecuencias).
2. Si esto funciona, y entiendo que la última parte de su respuesta, "valor más bajo" se refiere a la resistencia de carga que está en paralelo con la salida inductiva del amplificador operacional. Si coloco un límite en serie con esta resistencia, entonces puedo reducir sustancialmente el valor de la resistencia sin preocuparme por la carga de CC en el opamp, ¿verdad?
Sí, el capacitor ayudará al permitirle usar una resistencia más pequeña sin consumir más corriente continua. Todavía habrá que lidiar con la corriente de carga de CA. Incluso con el condensador, si la resistencia es muy pequeña (por ejemplo, 10 ohmios), disminuirá la ganancia del amplificador operacional al acortar la salida, lo que probablemente no desee.
Oscilación parásita en la etapa de refuerzo BJT de la fuente de corriente controlada por voltaje
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