¿Por qué LTSpice no predice esta oscilación del amplificador operacional?

Question

Estoy desarrollando un circuito para actuar como una carga electrónica para probar fuentes de alimentación en el banco. Una pregunta anterior sobre cómo probar este circuito recibió varias respuestas muy útiles y se puede encontrar aquí: ¿Cómo probar la estabilidad del amplificador operacional?. Esta pregunta trata sobre cómo interpretar mis resultados de simulación y pruebas.

Este es el esquemático del circuito tal como se simuló y probó en el protoboard:

El gráfico producido por LTSpice indica que el circuito es bastante estable. Hay un sobrepico de 1mV en la subida de 5V que se resuelve en un ciclo. Apenas se puede ver sin hacer zoom.

Esta es una captura de la misma prueba usando el osciloscopio en el circuito del protoboard. La subida de voltaje es mucho más pequeña y el periodo es más largo, pero la prueba es la misma; alimentar una onda cuadrada en la entrada no inversora (+) del amplificador operacional.

Como puedes ver, hay un sobrepico significativo, tal vez del 20%, luego una disminución exponencial a una oscilación estable durante la duración de la señal alta, y hay un pequeño sobrepico en la caída. La altura de la señal baja es solo el nivel de ruido (aproximadamente 8mv). Esto es lo mismo que cuando el circuito está apagado.

Así es como se ve la construcción en el protoboard:

El MOSFET está en la parte superior en un disipador de calor, conectado por los cables amarillo, rojo y negro; compuerta, drenador y fuente, respectivamente. Los cables rojo y negro que van a la pequeña placa protoboard son IN+ e IN- respectivamente, conectados a los conectores de banana del protoboard para evitar corriente de alto nivel a través del protoboard. La fuente de alimentación que se carga en la prueba es una batería sellada de ácido-plomo (SLA), para evitar cualquier inestabilidad en la fuente de alimentación en sí misma. El puente plateado es donde se inyecta la onda cuadrada desde mi generador de funciones. La resistencia, diodo, etc. en la parte inferior izquierda forman parte de un subcircuito de ajuste manual de nivel de carga (basado en un potenciómetro) y no están conectados.

Mi pregunta principal es: ¿Por qué LTSpice no predice esta inestabilidad significativa? Sería realmente útil si lo hiciera porque entonces podría simular mi red de compensación. Tal como está, solo tengo que probar con un montón de valores diferentes y volver a hacer las pruebas.

Mi hipótesis principal es que la capacitancia de la compuerta del IRF540N no está modelada en el modelo SPICE y estoy conduciendo una carga capacitiva de ~2nF que no se tiene en cuenta. No creo que esto sea del todo correcto porque veo capacitancias en el modelo (http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi) que parecen estar en el orden de magnitud correcto.

¿Hay alguna manera de hacer que la simulación prediga esta inestabilidad para poder ajustar también los valores de mi red de compensación?

INFORME DE RESULTADOS:

Bueno, resultó que el modelo de LTspice que estaba utilizando para el amplificador operacional LM358 era bastante antiguo y no era lo suficientemente sofisticado como para modelar correctamente la respuesta en frecuencia. Actualizar a uno relativamente reciente de National Semi no predijo la oscilación, pero mostró claramente el sobrepico del 20%, lo que me dio algo con lo que trabajar. También cambié el voltaje pico del pulso para que coincidiera con mi prueba en el protoboard, lo que hizo que el sobrepico fuera más fácil de ver:

Basándome en esa "retroalimentación", comencé con el método de compensación recomendado unánimemente, que creo que es un ejemplo de compensación de polo dominante. No estoy seguro si la resistencia de compuerta es parte de eso o de un segundo esquema de compensación, pero resultó ser crítica para mí. Aquí están los valores con los que terminé después de bastante prueba y error:

Esto produjo una forma de onda muy estable, aunque me gustaría hacer que la subida y la caída fueran un poco más agudas, para probar mejor la respuesta en frecuencia de las fuentes de alimentación que estaré probando con esta carga. Trabajaré en eso un poco más tarde.

Luego utilicé los nuevos valores en el protoboard, y créanlo o no, obtuve esto:

Estaba bastante emocionado por eso :)

Especialmente porque, para adaptar los nuevos componentes, empeoré en lugar de mejorar las parásitas del protoboard:

De todos modos, este terminó felizmente, espero que esto ayude a otros que lo encuentren en la búsqueda. Sé que me habría arrancado el poco cabello que me queda tratando de ajustar estos valores probando diferentes componentes en el protoboard :)

Answer 1

Existen diferentes modelos para la unidad LM358. Las simulaciones de PSpice basadas en "LM358" resultan en un margen de fase de aproximadamente 50...60 grados. Pero aparentemente, este es un modelo muy simple.

Sin embargo, al utilizar el modelo LM358/NS, el margen es ligeramente negativo! Esto explica la inestabilidad observada durante las mediciones. Por lo tanto, es necesario una estabilización externa del esquema de retroalimentación.

Compensación: Un esquema de compensación (conexión en serie R=500...1000 ohmios y C=50...100nF) en el nodo de salida del amplificador operacional proporciona un margen de fase de aproximadamente 50 grados (simulación).

Answer 2

La simulación LTSpice no puede tener en cuenta elementos del circuito que no hayas introducido: en este caso, el cableado de tu protoboard que está añadiendo un filtro (un filtro RLC en ese caso).

Lo que estás viendo es la respuesta al escalón cuando comienzas a enviar la onda cuadrada (casi) al amplificador. En el punto en el que inicialmente pulsas la entrada (después de haber estado en silencio durante un tiempo significativo), estás viendo transitorios de respuesta amortiguada (aparentes en los primeros ciclos de conmutación) y luego se acerca más a lo que esperabas ver.

Aunque es probable que el FET tenga suficiente baja capacitancia para ser impulsado por el amplificador, es práctica común desacoplar la capacitancia de la compuerta a través de una resistencia. Esto formará un filtro pasa bajos en la compuerta del FET, por lo que hay un compromiso entre la respuesta del circuito y el sobreimpulso del amplificador, que es lo que ves una vez que ha desaparecido la respuesta inicial al escalón. También hay un polo desde la entrada invertida a la referencia del circuito (tierra), y es común ver un pequeño capacitor en el lazo de retroalimentación de aproximadamente la misma capacitancia para compensar esto.

El valor que debes usar depende del diseño del circuito, pero en este caso yo comenzaría con alrededor de 100pF (en una PCB correctamente diseñada este valor sería más bien de 5pF a 10pF).

Sobre el sobreimpulso del amplificador, puede haber gráficos en la hoja de datos que muestren el sobreimpulso / subimpulso frente a varias cargas capacitivas. Esto es bastante común en las hojas de datos de amplificadores modernos.

Espero que esto ayude.

Answer 3

No habría aplicado un esquema así. Este esquema se convierte fácilmente en un estable. Entre la salida y la compuerta del transistor colocar un resistor R1 = 1kOhm. Entre la fuente del transistor y la entrada invertida del amplificador operacional colocar un resistor R2 = 10kOhm. Entre la salida y la entrada invertida del amplificador operacional colocar un capacitor C1 = 1000pF.