Fuente de corriente con oscilación de amplificador operacional de accionamiento de tapa ilimitada

He estado tratando de hacer una fuente actual, y finalmente he conseguido algunos LM8261 que deberían ser un amplificador operacional de 'unidad de capacidad ilimitada'. El problema es que sigue oscilando.

Este es el esquema y el diseño de PCB:

esquemático

diseño de pcb

Traté de enrutar la tierra dentro del área del bucle, cerca de la conexión de 5 V para el amplificador operacional, para poder colocar los capacitores de derivación lo más cerca posible. Aunque la tapa más grande de 10uF tiene una de sus patas en el plano de tierra (se olvidó de incluir esta tapa en la imagen esquemática).

Así es como se ve cuando pruebo la puerta del MOSFET:

alcance1

Está por todas partes.

Intenté agregar un capacitor de 10uF a través del DUT, de VDD a tierra. Esto eliminó gran parte del ruido extraño y lo hizo parecer casi como una onda sinusoidal:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Probé con y sin la resistencia de compuerta R1, no pareció hacer ninguna diferencia.

¿Qué está pasando? ¿Alguna pista sobre por qué esto simplemente no funciona?

EDITAR:

¡Resuelto! Con la ayuda de @Andyaka a continuación, utilicé su solución de insertar un seguidor de emisor BJT entre el amplificador operacional y el MOSFET, junto con un integrador, ¡y obtuve excelentes resultados!

Circuito final:

final

Las simulaciones se pueden ver aquí:

https://imgur.com/a/tBprTjh

Los diagramas de Bode de ganancia/fase que hice en la PCB:

Gráfico de G/P

Ancho de banda de aproximadamente 350kHz! Muy complacido.

@G36: Sí, reducir el ancho de banda de esa manera tal vez podría ser el truco, pero ese era el punto de usar el LM8261, esto no debería ser necesario. No quiero estabilizarlo hasta la muerte, quiero tener algún tipo de ancho de banda, como un ancho de banda de bucle de 100kHz o 200kHz, tal vez :)
Sin embargo, @Linkyyy G36 es correcto. Tienes que hacer eso, o algo similar. (Creo que las respuestas de Andy y Mat pasaron por alto por completo este problema, el que G36 detectó fácilmente para usted).
@jonk: ¿Pero por qué? El amplificador operacional debería poder manejar esta carga, ¿no es así?
@Linkyyy Haz un diagrama de Bode. Debería volverse bastante obvio cuando lo miras sin el capacitor en su lugar.

Respuestas (3)

He estado tratando de crear una fuente actual, y finalmente he conseguido algunos LM8261 que deberían ser un amplificador operacional de 'unidad de capacidad ilimitada'.

Encontrar un chip que pueda impulsar una carga capacitiva es una cosa, pero luego usar un 1 kohm en serie con la salida para impulsar esa carga capacitiva es un problema.

Motivo: 1 kohm y la capacitancia de fuente de compuerta MOSFET forman un filtro de paso bajo dentro del circuito de retroalimentación y empujan el margen de fase del amplificador operacional a 0 grados a una frecuencia moderada a alta, convirtiendo el circuito en un oscilador.

Mire el margen de fase en la hoja de datos y tenga en cuenta que si tiene en cuenta la resistencia de 1 kohm y aproximadamente dos tercios de la capacitancia de la fuente de puerta, el gráfico de margen de fase se convierte en la línea azul que dibujé a continuación: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Y, el margen de fase cruza cero grados (es decir, se convierte en un oscilador) a aproximadamente 1 o 2 MHz (círculo magenta). ¿Cómo hice esto, puedes preguntar?

Bueno, aunque hay una resistencia en la fuente del MOSFET, no hace mucho para reducir la capacitancia de la puerta; podría reducirla a aproximadamente dos tercios, por lo que una capacitancia GS de 900 pF y una resistencia de 1 kohm forman un filtro de paso bajo con un punto de 3 dB a 265 kHz. A esa frecuencia, la fase adicional introducida es de 45 grados, por lo que dibujé un punto rojo 45 grados más bajo.

Luego consideré una frecuencia que es cinco o diez veces más alta solo para poder señalar aproximadamente dónde limita el cambio de fase agregado en aproximadamente 90 grados y dibujé el segundo punto rojo.

Luego uní los dos puntos en azul y dibujé un círculo magenta donde el margen de fase se modifica a 0 grados (el punto de oscilación de bucle cerrado donde la retroalimentación negativa se convierte exactamente en retroalimentación positiva).

No es una técnica muy precisa, pero puede decirle si va a tener problemas.

En primer lugar, no tenía ninguna resistencia de compuerta en realidad, y todavía estaba oscilando. Probé algunos valores, 100 ohmios, 1 k, para ver si marcaba la diferencia, pero no fue así.
@Linkyyy, el amplificador operacional en sí tiene una resistencia interna en su salida que hará el "mal trabajo" con la misma eficacia, excepto que la frecuencia de oscilación probablemente será mayor porque la resistencia es menor.
Eso tiene mucho más sentido en realidad. la resistencia de salida del amplificador operacional puede ser bastante significativa porque el mosfet está dentro del circuito de retroalimentación. ¿Qué tipo de ancho de banda cree que se puede lograr en una configuración de amplificador operacional/mosfet? esperaba algo como 100 kHz o más, pero parece que eso es algo imposible con un mosfet con esta cantidad de capacitancia de entrada.
Mucha gente usa BJT por este motivo, pero si necesita las corrientes de control de salida de un MOSFET, entonces podría experimentar con un seguidor de emisor BJT que controla el MOSFET; esto significará que la resistencia de 1 kohm se puede abandonar porque ahora el amplificador operacional está impulsando una impedancia más alta debido a la inserción del BJT. El emisor BJT probablemente necesitará de 330 ohmios a 0 voltios para lograr un rendimiento de alta frecuencia y conectarlo a la puerta MOSFET...
... Si todo lo que logra hacer es aumentar la frecuencia de oscilación varios MHz, entonces eso es un comienzo porque entonces podría caer 33 pF (o más o menos) entre la salida del amplificador operacional y la entrada inversora para eliminar un poco de ganancia de HF y puede que tengas suerte. Recomiendo encarecidamente primero la simulación: intente hacer que "cante" a aproximadamente 1 MHz y luego pruebe el búfer BJT. Los circuitos de corriente constante basados ​​en MOSFET que funcionan a más de unas pocas decenas de kHz son complicados.
Muchas gracias. Hice algunas simulaciones de bucle abierto y cerrado con la configuración de colector común BJT, y se ve bien. https://imgur.com/a/tBprTjh . Cuando lo cierro y hago un gráfico de CA desde la entrada hasta la puerta del MOSFET, es muy plano y con un ancho de banda de alrededor de ~ 180 kHz.
Intenté cortar las piezas en la placa de circuito impreso en el laboratorio, ¡y parece que las oscilaciones ya no existen! Intenté hacer un barrido de frecuencia con el osciloscopio y noté que alrededor de 25-30 kHz, había una ganancia notable mayor que en frecuencias más bajas, y luego se redujo. Como si hubiera un pico de frecuencia en la respuesta de mirada cerrada alrededor de 25-30kHz. Aunque no estoy seguro de cómo o por qué. ¿Tienes alguna pista?
@Linkyyy es bueno que te hayas deshecho de las oscilaciones. ¿Puede publicar el circuito revisado y posiblemente la respuesta de frecuencia de bucle cerrado? ¿Cuánto es la joroba en las frecuencias medias en términos de dB? La respuesta de bucle abierto se ve excelente por cierto. Estoy muy contento con eso. Agregue las imágenes como una "sección de edición" al final de su pregunta original para mayor claridad para las personas que tropiezan con esta pregunta porque podría ser útil para otras personas que desean una fuente / sumidero de corriente de banda ancha.
Actualicé el álbum con la simulación de bucle cerrado: https://imgur.com/a/tBprTjh . No tenía ningún equipo BNC disponible, por lo que no podía usar un analizador de ganancia/fase. Usé el generador de señales del osciloscopio y barrí manualmente la frecuencia. Veré si puedo pedir prestado algún equipo la próxima semana para hacer las mediciones correctas, pero básicamente creo que vi algo como esto: https://i.imgur.com/fDP0CZ4.png con el pico alrededor de 25-30kHz y la magnitud 3-6dB (alrededor del doble del voltaje). así que nada como la simulación
Podría ser el capacitor de retroalimentación local de 1nF; presumiblemente, sintió que esto era necesario y me pregunto si se puede bajar y ver si la joroba se mueve. Podría ser una cuestión de diseño, aunque su diseño se ve bien. Este es un territorio nuevo para mí y sé que puede ser difícil hacer que funcionen decentemente con este tipo de ancho de banda. ¿Intentó aumentar la resistencia del emisor hacia el valor de 330 ohmios que mencioné? Como pueden ver, ¡me estoy rascando un poco la cabeza!
¡Buenas noticias! Tomé prestados algunos cables BNC y los soldé a la PCB para hacer mejores diagramas de ganancia/fase, ¡y ahora es mucho mejor! Actualicé la primera publicación con los resultados y marcaré tu publicación como la solución. ¡Gracias por tu ayuda!
Esos resultados se ven bien. Una nota: algunas personas podrían querer ver el circuito final (¡incluyéndome a mí!). Tal vez puedas agregarlo a la publicación para la posteridad en caso de que imgur se equivoque. Este ha sido un ejercicio útil.
¡Lo haré!

Lo más probable es que esté utilizando la misma fuente de alimentación para generar (VDD) y (+5V). Luego, cuando el amplificador operacional eleva el nivel de voltaje de la puerta, el mosfet absorbe demasiada corriente, lo que provoca una caída en VDD y +5V. Esto apaga momentáneamente el amplificador operacional, lo que provoca la oscilación.

Ejecuté el riel de 5V y el riel VDD en 2 unidades separadas, específicamente para asegurarme de que esto no sucediera :)

Debe darse cuenta de que la "unidad de capacidad ilimitada" no le compra nada en este circuito en particular, ya que en realidad no está manejando un condensador directamente. Con un Vdd de 5 voltios y una resistencia de puerta de 1k, la corriente máxima requerida será de 5 mA. O, si lo desea, la impedancia mínima en la salida es de 1k.

Además, además del problema de la carga, tiene una etapa de ganancia adicional (el FET) que seguramente complicará el comportamiento del bucle.

Fuente de corriente con oscilación de amplificador operacional de accionamiento de tapa ilimitada
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