Почему LTSpice не может предсказать это колебание операционного усилителя?

Я разрабатываю схему, которая будет действовать в качестве электронной нагрузки для тестирования источников питания. Предыдущий вопрос о том, как проверить эту схему, получил несколько очень полезных ответов и может быть найден здесь: Как проверить стабильность операционного усилителя? , Этот вопрос о том, как интерпретировать результаты моделирования и тестирования.

Это принципиальная схема, смоделированная и протестированная на макете:

График, созданный LTSpice, показывает, что схема достаточно стабильна. При подъеме 5 В наблюдается скачок в 1 мВ, который разрешается за один цикл. Его едва можно увидеть без увеличения.

Это снимок того же теста с использованием прицела на схеме с макетной доской. Повышение напряжения намного меньше, а период длиннее, но тест такой же; подача прямоугольной волны на неинвертирующий (+) вход операционного усилителя.

Как вы можете видеть, существует значительный выброс, возможно, 20%, затем экспоненциальный спад до устойчивых колебаний в течение продолжительного сигнала высокого уровня, и при падении наблюдается незначительный выброс. Высота низкого сигнала - это только уровень шума (около 8 мВ). Это так же, как когда цепь выключена.

Вот как выглядит макет:

МОП-транзистор находится сверху на радиаторе, соединенном желтым, красным и черным проводами; ворота, сток и источник соответственно. Красный и черный провода, ведущие к маленькой протоплате, имеют IN + и IN-, соответственно, подключенные к гнездам бананового макета, чтобы избежать тока уровня мощности через макет. Источник питания, загружаемый в тесте, представляет собой герметичную свинцово-кислотную (SLA) батарею, чтобы избежать любых нестабильностей в самом источнике питания. Серебряная перемычка - это то, где прямоугольная волна вводится из моего генератора функций. Резистор, диод и т. Д. В левом нижнем углу являются частью подсхемы ручной (на основе потенциометра) установки уровня нагрузки и не подключены.

Мой главный вопрос: почему LTSpice не предсказывает эту значительную нестабильность? Было бы очень удобно, если бы это было так, потому что тогда я мог бы смоделировать свою компенсационную сеть. В настоящее время я просто должен подключить кучу различных значений и перепроверить.

Моя основная гипотеза заключается в том, что емкость затвора IRF540N не моделируется в модели SPICE, и я использую емкостную нагрузку ~ 2 нФ, которая не учитывается. Я не думаю, что это совершенно правильно, потому что я вижу емкости в модели ( http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi ), которые выглядят в правильном порядке.

Каким-либо образом я могу получить симуляцию, чтобы предсказать эту нестабильность, чтобы я мог также настроить значения моей компенсационной сети?

ОТЧЕТ РЕЗУЛЬТАТОВ:

Хорошо, оказалось, что модель LTspice, которую я использовал для операционного усилителя LM358, была довольно старой и недостаточно сложной для правильного моделирования частотной характеристики. Обновление относительно недавнего National Semi не предсказывало колебания, но ясно показало 20-процентное превышение, которое дало мне кое-что для работы. Я также изменил пиковое напряжение импульса, чтобы оно соответствовало моему тесту макета, что облегчило просмотр выброса:

Основываясь на этой «обратной связи», я начал с единодушно рекомендованного метода компенсации, который, на мой взгляд, является примером компенсации доминирующего полюса . Я не уверен, является ли резистор затвора частью этой или второй схемы компенсации, но это оказалось критичным для меня. Вот значения, которые я получил после изрядного количества проб и ошибок:

Это дало очень стабильную форму сигнала, хотя я хотел бы немного повысить резкость взлета и падения, чтобы лучше проверить частотную характеристику блоков питания, которые я буду тестировать с этой нагрузкой. Я над этим поработаю чуть позже.

Затем я использовал новые значения на макете, и вот, я получил это:

Я был очень взволнован об этом :)

Тем более, что для того, чтобы вписаться в новые компоненты, я сделал паразитирование макета хуже, а не лучше:

Во всяком случае, этот закончился счастливо, надеюсь, что это поможет другим, кто найдет его в поиске. Я знаю, что вырвал бы те маленькие волосы, которые у меня остались, пытаясь набрать эти значения, вставив разные компоненты в макет :)

Существуют разные модели для LM358. Моделирование PSpice на основе "LM358" приводит к запасу фазы приложения. 50 ... 60 град. Но, видимо, это очень простая модель.

Однако при использовании модели LM358 / NS маржа слегка отрицательная ! Это объясняет наблюдаемую нестабильность во время измерений. Следовательно, необходима внешняя стабилизация схемы обратной связи.

Компенсация : Схема компенсации (последовательное соединение R = 500 ... 1000 Ом и C = 50 ... 100 нФ) на выходном узле операционного усилителя обеспечивает запас по фазе приложения. 50 градусов (моделирование).

Симуляция LTSpice не может учитывать элементы схемы, которые вы не ввели: в этом случае, ваш макет, который добавляет фильтр (фильтр RLC в этом случае).

То, что вы видите, это шаговая реакция, когда вы начинаете направлять (почти) прямоугольную волну в усилитель. В тот момент, когда вы первоначально посылаете импульс на вход (будучи в течение значительного времени в состоянии покоя), вы видите переходные процессы с затухающими откликами (очевидные в первые несколько циклов переключения), а затем становитесь ближе к тому, что ожидали увидеть.

Хотя полевой транзистор, вероятно, имеет достаточно низкую емкость для привода усилителя, обычной практикой является разделение емкости затвора через резистор. Это сформирует фильтр нижних частот на затворе полевого транзистора, поэтому существует компромисс между откликом цепи и включением / перегрузкой усилителя, который вы видите после исчезновения начального отклика шага. Существует также полюс от инвертирующего входа к цепи опорного сигнала (земля), и это часто можно увидеть небольшой конденсатор в цепи обратной связи от примерно такой же емкости, чтобы компенсировать это.

Значение, которое вы должны использовать, зависит от компоновки схемы, но в этом случае я бы начал с примерно 100 пФ (на правильно выложенной плате это значение было бы больше от 5 пФ до 10 пФ).

При звонке на усилитель в таблице могут быть графики, показывающие превышение / превышение в зависимости от различных емкостных нагрузок. Это довольно часто встречается в современных таблицах усилителей.

НТН

Я бы не применил такую ​​схему. Эта схема легко превращается в стабильную. Между выходом и затвором транзистора положен резистор R1 = 1 кОм. Между источником транзистора и инвертирующим входом операционного усилителя помещен резистор R2 = 10 кОм. Между выходом инвертирующего входа и операционным усилителем помещен конденсатор С1 = 1000 пФ.