Circuito de amplificador operacional de estabilidad en circuito regulador lineal

Question

Estoy tratando de diseñar un regulador lineal estable usando MOSFET y op amp. El esquemático se muestra a continuación:

Estoy usando LTSpice para simulaciones. Este circuito es principalmente para propósitos educativos: quiero entender cómo utilizar diagramas de Bode para diseñar un circuito de op amp estable con retroalimentación. He estudiado un montón de teoría sobre este tema pero no tengo práctica en circuitos de op amp.

Así que primero rompí el lazo de retroalimentación, puse a tierra la entrada inversora del opamp, ejecuté un análisis de AC midiendo el nodo "out". Puse el offset de DC de V5 en 0V y los resultados se muestran a continuación:

¡¡Ver fig 1!! (lo siento, tuve que poner las figuras en una imagen porque mi reputación es menor a 10 y no puedo adjuntar más de 2 imágenes)

La ganancia no supera los 0dB.

Luego, utilicé V4 para inyectar AC en el lazo de retroalimentación (valor de DC = 0, he restaurado el lazo de retroalimentación). El gráfico de V(out)/V(vn) se muestra a continuación:

¡¡Ver fig 2!!

El margen de fase podría no ser tan bueno pero de todas formas...

También hice un gráfico de V5 con AC 1 y sin usar V4 en el lazo:

¡¡Ver fig 3!!

Aquí veo el pico cerca de 200 kHz pero... El análisis transitorio muestra lo siguiente:

¡¡Ver fig 4!!

Un poco más cerca...

¡¡Ver fig 5!!

Por lo tanto, el circuito está oscilando y la frecuencia es de 1.8 MHz. No entiendo por qué. Obviamente me falta conocimiento sobre el análisis de AC... Entiendo que simplemente debería aumentar la capacitancia C1 a 40uF y resolverá el problema pero quiero saber por qué debería hacerlo (es decir, cómo puedo verlo en el diagrama de Bode). El único gráfico que mostró algunos problemas fue el gráfico transitorio de la respuesta al escalón.

Figuras:

¡Apreciaré mucho su ayuda! ¡Gracias por su tiempo!

ACTUALIZADO:

La razón por la que estoy tratando de usar un op-amp en este circuito es que ya tengo un regulador lineal siguiente en mi dispositivo y quiero mejorarlo:

Funciona bien pero a veces no carga el condensador C1 lo suficientemente rápido, así que pensé en usar un op-amp para hacer que la respuesta sea más rápida. Y la característica más importante aquí es hacer que el C1 cargue de 8V a 10V lo más rápido posible.

R1 es un cable de 2 km de longitud.

Answer 1

Tu amplificador operacional es rápido y está oscilando. Solo envía de vuelta la alta frecuencia para eliminarlo, creo.

simula este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

Solo estoy armando algo aquí para que lo pruebes en tus simulaciones. Principalmente, nota \$C_1\$, que proporciona una retroalimentación negativa rápida para altas frecuencias sin hacer mucho por las frecuencias más bajas. Creo que eso debería solucionar tu problema. (Bueno, necesitas ese divisor que incluí porque no deberías tomar tu retroalimentación de voltaje directamente en la fuente del mosfet. Necesitas algo de distancia allí para permitir que \$C_1\$ funcione. Puedes reemplazar \$R_3\$, \$R_4\$ y \$R_5\$ con una sola resistencia desde tu fuente de mosfet de vuelta a la entrada (-) si no te agrada la disposición de \$2 \cdot V_{set}\$ y solo quieres que la salida sea igual a \$V_{set}\$. Prueba con un \$4.7k\Omega\$, por ejemplo.)

También nota la adición de un riel (-). Con eso, puedes bajar hasta \$0V\$.

Voy a asumir que tu amplificador operacional puede manejar el mosfet aquí. (¿Podrías seleccionar uno que funcione bien, imagino?) Añadí \$R_5\$ para que puedas probar. Pero igual podrías deshacerte de él por completo, ya que \$R_3\$ y \$R_4\$ forman un equivalente de Thevenin de todos modos.

Entonces aquí está el esquemático sin el divisor, en caso de que no esté totalmente claro el texto que agregué anteriormente. En todos los aspectos que cuentan, es igual que el esquemático anterior y debería solucionar la oscilación por la misma razón. Solo que la salida reflejará la entrada en lugar de duplicarla.

simula este circuito

No me gusta tu disposición de BJT con ambas bases unidas y ambos emisores también unidos. Pero no estoy seguro de por qué está allí, así que no he molestado en hacer algo diferente con eso. Siéntete libre de agregar eso de vuelta en el drive para tu mosfet... después, no antes, de la retroalimentación de \$C_1\$.

EDIT: Bueno, se me olvidó tener en cuenta tu riel de suministro de \$500V\$ y la impedancia asociada (deseada, supongo) de \$50\Omega\$ (¿5kW para manejar un cortocircuito directo?) Um. ¿Cómo planeas controlar la compuerta del mosfet para que puedas regular la salida con un riel tan alto?? Creo que necesitas convertir una expectativa razonable de tu amplificador operacional en algo que pueda alcanzar tan alto y llevar la compuerta del mosfet a algún lugar cercano a la estratosfera allí.

Answer 2

El amplificador operacional que has elegido es un modelo de realimentación de corriente de 100 MHz. 100 MHz es muy alto para un proyecto de aprendizaje y probablemente quieras empezar con uno de los amplificadores operacionales de realimentación de voltaje más convencionales. Los circuitos de amplificador operacional que sueles encontrar no funcionan con amplificadores operacionales de realimentación de corriente. Diría que estudiar amplificadores operacionales de realimentación de corriente es mejor posponerlo hasta que hayas progresado sólidamente con los "regulares" :)

Recomiendo empezar con un LT1001 si quieres utilizar modelos incorporados en LTspice. Tiene un producto de ancho de banda de ganancia (GBW) de aproximadamente 0.8 MHz, lo cual generalmente será "menos complicado" mientras estás aprendiendo.

En segundo lugar, simplificaría tu circuito al mínimo indispensable y haría que funcione. Luego puedes añadir componentes uno a la vez en un intento por mejorar el circuito. Si comienzas con un circuito complejo, será más difícil (y generalmente menos fructífero para propósitos de aprendizaje) para ti (y otros a los que pidas ayuda) depurar.

Puedes comenzar con un amplificador no inversor simple y hacer que todas tus mediciones funcionen allí (ganancia de lazo, ganancia en bucle cerrado, etc.). Luego puedes avanzar hacia la adición de etapas adicionales en el circuito, como el MOSFET. Yo evitaría el buffer push-pull hasta mucho más tarde. Hay maneras más simples de abordar la estabilidad (como aumentar R4 un poco, quizás a 100 ohmios) hasta que llegues a una etapa de ajuste fino.

Si tu amplificador operacional oscila, tienes un problema de estabilidad, que se resuelve con compensación. Estos son los temas en los que debes investigar para obtener más información, probablemente en ese orden, por ejemplo 'estabilidad de amplificador operacional' y 'compensación de amplificador operacional'. TI tiene una serie de videos sobre estabilidad que he encontrado muy valiosa. El primero de los varios videos de la serie está disponible en YouTube aquí: https://www.youtube.com/watch?v=84VIdY0nKLg. Los seis o siete restantes están en el sitio de TI y requieren un inicio de sesión en MyTI, pero es fácil, gratuito y en mi opinión, vale mucho la pena.