Анализ переменного тока контура операционного усилителя в LTspice

Я строю электронную фиктивную нагрузку постоянного тока и имею проблемы со стабильностью/колебаниями.

Это моя схема:
введите описание изображения здесь

Vset - управляет током, при установке 100мВ получается 500мА на шунте
Vout1 - Vshunt умноженный на 40 на U1
Vout2 - выход с U2, управляет мосфетом M1
power_in - это 10В и я добавил к нему немного шума

Vout1 и Vout2 колеблются.

мощность_вход:
введите описание изображения здесь

Выход1:
введите описание изображения здесь

Я пытаюсь провести анализ переменного тока, поэтому я мог бы внести некоторые изменения.
Я понимаю, что петля не стабильна, если фазовый сдвиг составляет 180°, а коэффициент усиления превышает 0 дБ.
Читал, что приходится отключать обратную связь и вставлять слабый сигнал для анализа переменного тока.
Вот что я сделал:
введите описание изображения здесь

Анализ АС таков:
введите описание изображения здесь

Правилен ли этот метод? Я погуглил несколько примеров, но смог найти только простые примеры, которые не смог применить к своей схеме.
Проблема в том, что результат анализа переменного тока говорит о том, что усиление всегда меньше 0 дБ, а фазовый сдвиг ниже 180° (ну, может быть, для более высоких частот достигает 180°).

На данный момент я застрял, я ценю любую помощь или совет, как правильно выполнить анализ переменного тока.

ОБНОВЛЕНИЕ:
я загрузил исходный файл для LTspice:
https://www.dropbox.com/s/iol9l4zr8wo7j1a/dc_load_heat_test.asc?dl=0

Для этого типа стока тока (управляемого через контур обратной связи), скорее всего, потребуется интегратор. Для начала я бы попробовал небольшой (1 нФ) конденсатор на R7. Я не думаю, что C5 много делает для вас.
Убедились ли вы в правильности решения по постоянному току после разрыва цепи обратной связи по переменному току?
@PeterSmith Спасибо за подсказки, но я заинтересован в том, чтобы решить эту проблему анализа переменного тока.
@ThePhoton Нет, я не делал «решение DC». Что ты имеешь в виду?
@ThePhoton Я сделал «рабочую точку постоянного тока». ".op 0 1m 0", что дало мне правильные значения напряжения (Vset=0,1 В, Vshunt=0,0025 В, Vout1=0,09999 В)
Возможно, вы захотите привести схему в порядок и разместить ее где-нибудь, чтобы люди могли скачать и попробовать сами. Я не понимаю, почему вы поместили стимул переменного тока там, где вы это сделали, а не где-то на входе операционных усилителей. Также значение для L1 немного нереально. Кроме того, почему вы выбрали этот операционный усилитель, он не кажется очень хорошим для этой цели.
@PlasmaHH L1 предназначен для разрыва цепи обратной связи для переменного тока, а C7 предназначен для изоляции земли от постоянного тока. Я видел это на нескольких форумах, чтобы проанализировать запасы по усилению и фазе контура. L1 и C7 не должны быть реалистичными. Для этого анализа он должен быть чрезвычайно высоким. Я выбрал LTC2050HV из-за очень низкого входного напряжения смещения ( electronics.stackexchange.com/questions/335934/… ), но это не главное. Суть этого вопроса в том, как выполнить циклический анализ такой схемы.
@PlasmaHH Я загрузил этот файл, добавил ссылку на вопрос.
@Chupacabras: чтобы «исправить» вашу насущную проблему, поставьте колпачок параллельно с R7. Теперь для анализа я бы подключил стимул переменного тока параллельно с power_in и запустил анализ переменного тока 1–10 МГц и, возможно, пошагово поменял значения конденсатора, чтобы посмотреть, как он меняет ситуацию. Не уверен, что это «правильно», но повторяет то, что я хочу знать: насколько определенные частоты передаются в петлю обратной связи. Это кстати. конечно, изменит реакцию на шаг.
Два важных требования к измерениям контура: (1) рабочая точка постоянного тока замкнутого контура должна быть сохранена, соответственно. установлено и (b) нагрузочные свойства в проеме не должны изменяться (соответственно установлены). Есть много статей и вкладов, как это можно сделать.
@LvW Как установить рабочую точку постоянного тока в LTspice? Мне кажется, что источники постоянного напряжения игнорируются при анализе переменного тока.
@LvW Я проверил это, и рабочая точка постоянного тока кажется в порядке. Я проверил напряжения постоянного тока на всех узлах, все в норме.
Если вы исправили это, напишите ответ
@laptop2d Нет, моя проблема до сих пор не решена, к сожалению. Мой предыдущий комментарий был адресован именно комментарию LvW.
Почему у вас есть индуктор 100H в вашем контуре управления? 100ч это много. Вы имели в виду 100мкГн?
@laptop2d Я уже ответил на него в предыдущих комментариях. Его рекомендовали на некоторых форумах. Его цель - разорвать петлю для сигнала переменного тока. Это не из моей головы. Вы предлагаете другой метод анализа переменного тока петли? Если да, пожалуйста, добавьте ответ с подробностями.
Посмотрим, есть ли в этом смысл...
Разрывать петлю переменного тока правильно с помощью огромного индуктора (100 Гн и более). Таким образом, петля постоянного тока и рабочая точка постоянного тока не нарушаются. В качестве следующего шага вы должны ввести тестовый сигнал переменного тока в контур, используя очень большой конденсатор. Это работает до тех пор, пока нагрузка на входе переменного тока не изменится слишком сильно. Если да, вам нужно имитировать нагрузку с помощью дополнительных компонентов.
Как я вижу, проблемы с нагрузкой (ввод ОУ через 100 Ом) нет. Следовательно, все вроде бы в порядке.
Нет - большая ошибка: C7 должен быть МЕЖДУ источником переменного тока и цепью. (не заземлять).
@Chupacabras помогает ответ ниже?
@laptop2d выглядит многообещающе, но сегодня я не нашел времени. Я постараюсь проанализировать (обдумать) ваш ответ завтра.
@LvW действительно не имеет значения, будет ли C7 до или после V4. C7 и V4 можно поменять местами. JosefC дал мне правильный ответ. Цепь подключена правильно, но я должен изобразить -V(vout1)/V(fb) вместо V(vout1).
Чупакабры - вы правы, конечно!

Ответы (2)

@Chupacabras В вашей симуляции усиления контура вы устанавливаете C7 на 100F. Это в Spice 100 фемто Фарад. А вот L1 и C7 должны иметь очень большие значения. 1G или 100G не проблема, потому что это всего лишь симуляция.

Правильное выражение для контурного усиления: V(Vout1)/V(X), где X — узел между (V4, L1, R9).

Как уже упоминалось в комментариях LvW, в этой конфигурации нет проблем с загрузкой.

Пробовал 100F и 100G, разницы нет. Пробовал V(Vout1)/V(X), но на графике видно, что нет такой частоты, где усиление больше 0дБ и фазовый сдвиг -180°. Насколько я знаю, это условия для колебаний. Фазовый сдвиг составляет от +122° до -27°, когда усиление превышает 0 дБ. Я что-то пропустил?
Я пропустил знак. Коэффициент усиления контура равен -V(Vout1)/V(VX). Хорошее описание находится на allaboutcircuits.com/technical-articles/…
Отличный! Вот и все. Спасибо за ссылку. Теперь у меня есть правильный анализ переменного тока для моей схемы, я могу его настроить и вижу, что он действительно работает :)

Проблема в том, что вы ошибаетесь в своем управляющем входе, у вас все еще есть система с замкнутым контуром, как показано ниже, но вам нужно определить, какие части какие.

U1 — это H, если бы вы нашли передаточную функцию для U1, вы могли бы заменить ее на H.

U2 есть G и точка суммирования

θ 1 является вашим входом, который вы хотите использовать как значение постоянного тока, однако, если вы хотите проанализировать цикл, вам нужно изменить контрольную точку.

Есть несколько способов идентифицировать систему управления, один из них — сканировать частоту, вы хотите сделать это на управляющем входе , а затем посмотреть на выходе. (или разные точки в системе)

Во второй попытке вы пытались внедрить анализ AC после H и до точки суммирования, что, я полагаю, можно было бы сделать, но есть гораздо более простой способ, и вы могли бы использовать теорию управления для проверки устойчивости. Да, блокировка переменного тока и подача переменного тока в ваш «контур датчика» могут работать, но то же самое можно сказать и о анализе переменного тока вашего управляющего входа.

Редактировать: на самом деле я должен был проверить Vshunt (в приведенном ниже анализе я проверял Vout2). Vshunt — ваш реальный выход θ о но они довольно близки по отклику переменного тока, так что я отвлекся ...

введите описание изображения здесь
Источник: Учебники по электронике. ws: Замкнутая система.

Вот как я изменил ваш файл, чтобы провести правильный анализ замкнутого цикла: я поместил новый источник напряжения V4 на положительную клемму U2 (ваша контрольная точка отсчета). Я также дал ему амплитуду 0,5 В и параметр постоянного тока, который варьировался от 1 до 5 В.

.step param R list 0.1 0.3 0.6 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
V4 N003 0 {R} AC 0.5

введите описание изображения здесь

Подождите, а что, если мы увеличим масштаб, да, будет резонанс 3 дБ на vout1 и 40 дБ на vout2. это плохо (при первых двух запусках, которые соответствуют параметрам 0,1 и 0,3 В постоянного тока). Все остальные прогоны не имеют резонанса.

введите описание изображения здесь

Что, если мы переместим этот конденсатор... Да, 6 дБ, это лучше, не очень хорошо, может быть приемлемым. Я позволю тебе разобраться с остальным.

введите описание изображения здесь

Во-первых, спасибо за ответ и пищу для размышлений. Но что-то мне непонятно. Значит, вы полностью игнорируете фазовый сдвиг в этом анализе? Как по этим графикам решить, устойчива ли петля или будут колебания?
Если вы видите горб выше полосы пропускания (как вы видите на всех рисунках, то это означает осцилляции). Является ли это проблемой, зависит от конструктивных требований вашего проекта, которые я не знаю (например, какая пропускная способность вам нужна. ) Во-вторых, эти колебания происходят только при более низких мощностях (при 0,1 В и 0,3 В постоянного тока), так что это может не быть проблемой для вашей конструкции. Если это так, то пропускной способностью придется пожертвовать, и в петле можно будет использовать еще один «полюс», чтобы сбить это колебательное поведение. Или увеличение C5
Я не определил полосу пропускания, поэтому колебания на любой частоте являются проблемой. Я изменил свою схему (чтобы она не колебалась), но ваш метод все еще показывает некоторый горб. Когда я смотрю на этот график, я не могу определить, будет ли цикл колебаться или нет. На самом деле JosefC дал мне ответ на мой вопрос, что я искал. В любом случае, ваш ответ помог мне выявить еще одну проблему. МОП-транзистор, который используется (IRF530) в этой симуляции, не подходит. Он имеет слишком высокое значение Rdson, что приводит к насыщению U2 и разрыву колебаний при более высоких напряжениях на Vset.