¿Cómo probar la estabilidad del amplificador operacional?

Tengo un circuito que estoy desarrollando usando un amplificador operacional para controlar un MOSFET de potencia para una carga electrónica:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Me gustaría probar su estabilidad, pero no tengo suficiente experiencia para saber qué perturbaciones tienen más probabilidades de mostrar inestabilidades.

Tengo las siguientes ideas:

  • Inyecte una onda cuadrada (compensación tal que el valor bajo sea >= 0V) en la entrada no inversora mientras monitorea el voltaje en la resistencia de detección (forma de onda de corriente de carga). Esto simularía cambios repentinos en el voltaje de control (1 V/A) que probablemente sea suministrado más tarde por un DAC.

  • Aplique voltaje de entrada escalonado a IN+, simulando la conexión de la fuente de alimentación bajo prueba.

¿Son estas ideas sensatas que probablemente descubran alguna inestabilidad relacionada con el amplificador operacional?

Además, ¿hay ejercicios de simulación de LTSpice que valga la pena probar?

ACTUALIZAR:

  • Revisé el esquema para que sea más adecuado para la simulación. Encontré y usé modelos para las partes específicas que estoy usando y eliminé todos los elementos de compensación para una simulación de línea base.

nuevo esquema

  • Ejecuté un análisis alimentando una onda cuadrada de compensación de CC en el pin de control (entrada no inversora en este circuito). El resultado fue completamente estable. Hay un sobreimpulso de 1 mV minúsculo en aumento si se acerca mucho, de lo contrario, refleja absolutamente la entrada (excepto que representa el flujo actual, por supuesto). Incluso reduje el tiempo de subida a 1 ns para ver si podía hacer que sonara, pero no tuve suerte :)

trama

  • Realicé un análisis .AC como sugirió @Kevin White y encontré un margen de fase de 62 grados en la ganancia de bucle abierto.

  • Lo construí como sugirió @mkeith, y desafortunadamente oscila como loco en la placa :) Pude hacer algunos progresos estabilizándolo un poco hasta que accidentalmente volé mi MOSFET. Mañana tengo que ir a la tienda a comprar uno nuevo para poder continuar desde allí :)

Soy una especie de persona empírica. Construiría el circuito. Paso VCC y paso IN+. Use un generador de funciones para controlar un mosfet de pequeña potencia para aplicar el paso. Activar en la salida de sincronización del generador de funciones. Utilice el promedio para observar la respuesta al escalón. También agregaría una resistencia de retroalimentación "normal" directamente desde la salida a la entrada inversora. No tienes que llenarlo. Pero podría salvarte si el circuito termina siendo inestable o marginal.
Scanny, con respecto a la simulación de ganancia de bucle correcta, lea los comentarios a la respuesta de Kevin.
Scanny, hice algunas ejecuciones de simulación del último circuito. El circuito es estable con un margen suficiente.
El comentario anterior es el resultado de una simulación basada en un modelo opamp simplificado. ¡Usando un modelo REALISTA el circuito es, sin embargo, inestable!

Respuestas (3)

Tus métodos están bien. Lo que está buscando en la respuesta escalonada es un exceso o un defecto. Lo que le gustaría ver es algo que se acerque a la amortiguación crítica para una respuesta rápida y un buen margen de fase. Gráfico tomado de esta nota de la aplicación SMPS.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Su circuito tiene un gran potencial para oscilar; definitivamente agregaría un circuito de compensación alrededor del amplificador.

¿Por qué dices que el circuito tiene un fuerte potencial para oscilar? @andy-aka arriba indicó que parecía estable y eso ciertamente ha sido confirmado por las simulaciones hasta ahora. ¿Nos hemos perdido algo?
Debido al cambio de fase causado por la resistencia de puerta. Puede estar bien o no, según el MOSFET y el valor de la resistencia y el margen de fase del amplificador operacional.
PS, oscilará como se muestra con una resistencia de carga baja y un MOSFET 5x NXP PSMN063-150D/PLP (normalmente, en simulación PSPICE). 1x no lo hace. La compensación 1K/1n cura completamente la inestabilidad. Asegúrese de prestar atención a los comentarios de Andy sobre el rango de entrada y salida del OP-07 o agregue un voltaje de suministro negativo.
No pude hacer funcionar el modelo PSMD063-150D; no está integrado en mi versión de LTSpice y la que encontré en línea simplemente no funcionaría para mí. Pero encontré uno para el MOSFET que estoy usando y lo puse en marcha. No pude hacer que el modelo sobrepase más de un mV en un aumento de 5 V/1 ns, así que estoy perplejo en esa parte (aunque agregar un capacitor de carga de 5uF pareció funcionar :). Sin embargo, en la protoboard se comporta de manera muy parecida a la imagen de arriba. Compensé comenzando con los valores que mencionaste (necesitaba una resistencia de compuerta) y fue mucho mejor cuando apagué mi último MOSFET, así que necesito comprar uno nuevo :)
La resistencia de carga de bajo valor aumenta la inestabilidad (algo intuitivamente), además de tener un MOSFET realmente gordo.
Resulta que tenías razón @Sphero, el circuito osciló como un demonio cuando lo construí en el protoboard. Publiqué otra pregunta aquí electronics.stackexchange.com/questions/176669/… y descubrí que mi modelo LTspice para el amplificador operacional era antiguo sin el modelo de respuesta de frecuencia adecuado. Terminé haciendo que funcionara bien con una red de compensación como sugeriste. Creo que lo tengo bastante cerca de la amortiguación crítica. Gracias por su respuesta :)

Esta es normalmente (todas las situaciones que he presenciado o sobre las que he leído) una configuración estable. El amplificador operacional sería estable con retroalimentación directa, por lo que la pregunta es qué agrega el MOSFET en términos de ganancia o fase que podría hacer que el circuito sea inestable.

Bueno, en una configuración de seguidor de fuente, la ganancia del MOSFET es un poco menos de 1, por lo que, en ese sentido, el circuito seguirá siendo estable. En cuanto al cambio de fase de la puerta a la fuente, habrá un poco, pero dado que la ganancia probablemente se ha reducido alrededor de un dB y que el MOSFET será mucho más rápido (como un dispositivo singular) en comparación con el amplificador operacional, realmente no No creo que tengas ningún problema.

Es el tipo de circuito que no dudaría en construir sin esperar un resultado decente. Sin embargo, en el circuito que ha mostrado, no usaría el op-07. No puede reducir adecuadamente su salida a 0 V (lea la hoja de datos) y esto podría significar que el FET no se apaga correctamente y que se pierde el control al intentar controlar corrientes pequeñas.

Lo mismo es cierto (si no más) cuando se observa el rango de voltaje de entrada del que es capaz el dispositivo. Si está tratando de controlar 1A a través de la resistencia de detección 1R, se espera que el voltaje en la entrada OP-07 sea de 1V y esto está justo en el límite de lo que se puede esperar que maneje el rango de entrada (nuevamente lea la hoja de datos) .

Entonces, mi conclusión es que no use un OP-07 ni lo encienda con un pequeño suministro negativo en lugar de tener su terminal de suministro negativo a 0V.

Gracias Andy; Descargué e incluí un modelo LM358 para que coincida con el componente que planeaba usar. En la simulación, resultó ser totalmente estable con una entrada de paso en la entrada no inversora. Voy a trabajar en un equipo de prueba como el mencionado @mkeith y veré qué obtengo con lo real :)
@scanny, el LM358 tiene entradas que funcionan hasta el riel de 0 V y esta es una buena selección. La salida también bajará hasta 50 mV de 0 V y esto es necesario para obtener el control total del FET. El voltaje de compensación de entrada es de unos pocos milivoltios y esto representa un error en su medición, así que tenga esto en cuenta. La respuesta de fase de bucle abierto no se indica, por lo que generalmente significa un margen de fase de al menos 45 grados y con el MOSFET haciendo posiblemente otros 5 grados, seguirá siendo estable.

Ambas son buenas maneras de probar la estabilidad.

Otra cosa que puede ser útil es medir la respuesta de bucle abierto rompiendo el bucle de retroalimentación usando un inductor extremadamente grande (por ejemplo, 1Giga Henry) y luego inyectando una onda sinusoidal en la entrada no inversora (con una polarización de CC adecuada) y midiendo el voltaje a través de la resistencia de detección.

Solo puede romper el ciclo de retroalimentación en la simulación en lugar del mundo real.

Si coloca dos copias del esquema en el esquema LTSpice, puede hacer un diagrama de Bode de las ganancias de bucle cerrado y bucle abierto simultáneamente.

"....y midiendo el voltaje a través de la resistencia de detección". ¿Cuál es el siguiente paso para evaluar las propiedades de estabilidad? Simplemente "medir" parece no ser suficiente. Más que eso, este procedimiento no realiza la clásica "prueba de ganancia de bucle".
Cuando digo medir, me refiero tanto al voltaje como a la fase. Si alimenta una onda sinusoidal de barrido, puede obtener los criterios clásicos de estabilidad de ganancia de bucle. Puede ver qué tan cerca está de la inestabilidad solo por la respuesta transitoria con una entrada de paso.
Gran consejo sobre el análisis .AC Kevin, gracias por eso, me lo había perdido por completo hasta que lo mencionaste :) Muy buen video de Linear Tech sobre cómo hacerlo aquí: linear.com/solutions/4449 . Resulta que mi ganancia de bucle abierto en el circuito con todos los elementos de compensación eliminados es de 61 grados, lo que explica su estabilidad en la simulación, supongo. Ahora puedo trabajar en por qué oscila tan mal en el protoboard :)
Kevin, ha propuesto abrir el bucle de CA (inductor grande) e inyectar una señal de prueba en el no inv. aporte. Me gusta repetir que este procedimiento NO da la respuesta de ganancia del bucle. En su lugar, debe inyectar la señal (a través de un condensador grande) en la entrada inversora y encontrar la relación entre los voltajes en ambos extremos del inductor. ¡Simplemente medir la salida no tiene sentido!
El video de Linear Technologies vinculado justo arriba utiliza un enfoque diferente. Rompen el circuito de retroalimentación, insertan una fuente de voltaje de 0 V CC, 1 V CA y luego miden la diferencia entre cada extremo. Podría valer la pena echarle un vistazo, fue simple y rápido y asumo que el tipo sabía lo que estaba haciendo :)
Sí, ese es un método alternativo. Sin embargo, solo da resultados correctos (como el método del inductor) si no hay un error de carga en la apertura. Normalmente, esto se puede suponer si rompe el ciclo en la salida opamp o directamente en la entrada inversora.
¿Cómo probar la estabilidad del amplificador operacional?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 1v