Компенсация обратной связи, LTSpice
Ср окт 04, 2023 14:25:26
Здравствуйте, коллеги!
Мой вопрос носит скорее академический характер. Проблема в том, что ожидаемые условия самовозбуждения усилителя, полученные расчетом АЧХ в LTSpice, не совпадают с фактическими условиями его самовозбуждения, полученными там же, но при моделировании во временной области. Сразу скажу, что в реальности я эту схему пока не собирал.
Итак, я вдохновился топологией, котая приводится в книжке Дугласа Селфа (стр. 101) а также в публикации Рода Эллиота, и спроектировал вот такой усилитель.
Усилитель проектировался по большей части из академических соображений, для исследования. Потому я разделил цепи ООС по переменному и постоянному току. На схеме выше усилитель представлен по сути без рабочих цепей ОС, поскольку влияние цепи R6/R7/R11 по переменному току блокируется конденсатором C4. Таким образом, эта схема не оказывает влияния на усиление переменного сигнала и служит только для установки режима по постоянному току.
Итак, я строю АФЧХ этого усилителя. В силу сказанного выше, я получаю коэффициент усиления с разомкнутой петлей ОС.
На этом графике я ищу точку, в которой фаза становится равной -360 градусов, т.е., когда усилитель в силу задержки сигнала перестает быть инвертирующим. По графику видно, что это случается на частоте примерно 23 МГц, при этом усиление составляет около 4.66 дБ (x 1.7). Отсюда я делаю вывод, что усилитель будет стабилен при коэффициенте передачи цепи ОС менее 1/1.7 = 0.59.
Казалось бы, усилитель должен быть стабилен при единичном усилении. В самом деле, коэффициент передачи цепи ОС для усиления, равного 1, должен составлять 0.5, что меньше, чем 0.59, и потому удовлетворяет условию, полученному выше.
Проверяем. Подключаем к выходу усилителя эквивалентную цепь и снова строим АФЧХ.
Цепь, имитирующая цепь ОС, состоит из двух резисторов по 500 Ом. По графику АФЧХ вроде бы все отлично, усиление в точке, где сдвиг фазы становится равным -360 градусов, составляет примерно -2 дБ, что меньше 0 дБ. Усилитель возбуждаться не должен.
Проверяем во временной области. Подключаем цепь ОС, состоящую из двух резисторов по 500 Ом, как надо.
Моделируем во временной области.
Усилитель возбуждается! Причем возбуждается совсем не в районе 23 МГц, как можно ожидать, а на частоте около 2.7 МГц. При этом исходя из предыдущего графика АФЧХ на этой частоте фаза составляет -290 градусов, то есть, запас по фазе составляет аж 70 градусов. Усилитель должен быть совершенно стабилен.
Подбором я установил, что усилитель становится стабилен при номиналах цепи ОС 500 Ом и 2340 Ом, то есть, при минимальном усилении, равном 4.68, что соответствует коэффициенту передачи ОС примерно 0.18.
Построение АФЧХ для этого случая, опять же, как ни странно, показывает, что поворот фазы до -360 градусов все так же случается в районе 23 МГц, но запас по фазе там составляет уже около 10 дБ.
Исходя из этих данных я компенсировал усилитель для работы при единичном усилении.
Здесь коэффициент передачи цепи ОС для шумового сигнала составляет примерно 0.23. Усиление для полезного сигнала равно единице.
В свете всего этого вопрос - чего я не понимаю? Почему условия самовозбуждения, полученные из анализа АФЧХ усилителя с разомкнутой петлей ОС, не совпадают с полученными при моделировании во временной области, причем не совпадают аж на порядок?
Мой вопрос носит скорее академический характер. Проблема в том, что ожидаемые условия самовозбуждения усилителя, полученные расчетом АЧХ в LTSpice, не совпадают с фактическими условиями его самовозбуждения, полученными там же, но при моделировании во временной области. Сразу скажу, что в реальности я эту схему пока не собирал.
Итак, я вдохновился топологией, котая приводится в книжке Дугласа Селфа (стр. 101) а также в публикации Рода Эллиота, и спроектировал вот такой усилитель.
Усилитель проектировался по большей части из академических соображений, для исследования. Потому я разделил цепи ООС по переменному и постоянному току. На схеме выше усилитель представлен по сути без рабочих цепей ОС, поскольку влияние цепи R6/R7/R11 по переменному току блокируется конденсатором C4. Таким образом, эта схема не оказывает влияния на усиление переменного сигнала и служит только для установки режима по постоянному току.
Итак, я строю АФЧХ этого усилителя. В силу сказанного выше, я получаю коэффициент усиления с разомкнутой петлей ОС.
На этом графике я ищу точку, в которой фаза становится равной -360 градусов, т.е., когда усилитель в силу задержки сигнала перестает быть инвертирующим. По графику видно, что это случается на частоте примерно 23 МГц, при этом усиление составляет около 4.66 дБ (x 1.7). Отсюда я делаю вывод, что усилитель будет стабилен при коэффициенте передачи цепи ОС менее 1/1.7 = 0.59.
Казалось бы, усилитель должен быть стабилен при единичном усилении. В самом деле, коэффициент передачи цепи ОС для усиления, равного 1, должен составлять 0.5, что меньше, чем 0.59, и потому удовлетворяет условию, полученному выше.
Проверяем. Подключаем к выходу усилителя эквивалентную цепь и снова строим АФЧХ.
Цепь, имитирующая цепь ОС, состоит из двух резисторов по 500 Ом. По графику АФЧХ вроде бы все отлично, усиление в точке, где сдвиг фазы становится равным -360 градусов, составляет примерно -2 дБ, что меньше 0 дБ. Усилитель возбуждаться не должен.
Проверяем во временной области. Подключаем цепь ОС, состоящую из двух резисторов по 500 Ом, как надо.
Моделируем во временной области.
Усилитель возбуждается! Причем возбуждается совсем не в районе 23 МГц, как можно ожидать, а на частоте около 2.7 МГц. При этом исходя из предыдущего графика АФЧХ на этой частоте фаза составляет -290 градусов, то есть, запас по фазе составляет аж 70 градусов. Усилитель должен быть совершенно стабилен.
Подбором я установил, что усилитель становится стабилен при номиналах цепи ОС 500 Ом и 2340 Ом, то есть, при минимальном усилении, равном 4.68, что соответствует коэффициенту передачи ОС примерно 0.18.
Построение АФЧХ для этого случая, опять же, как ни странно, показывает, что поворот фазы до -360 градусов все так же случается в районе 23 МГц, но запас по фазе там составляет уже около 10 дБ.
Исходя из этих данных я компенсировал усилитель для работы при единичном усилении.
Здесь коэффициент передачи цепи ОС для шумового сигнала составляет примерно 0.23. Усиление для полезного сигнала равно единице.
В свете всего этого вопрос - чего я не понимаю? Почему условия самовозбуждения, полученные из анализа АФЧХ усилителя с разомкнутой петлей ОС, не совпадают с полученными при моделировании во временной области, причем не совпадают аж на порядок?
Re: Компенсация обратной связи, LTSpice
Ср окт 04, 2023 15:52:13
..кривые модели в спайсе..
Re: Компенсация обратной связи, LTSpice
Ср окт 04, 2023 16:01:28
В свете всего этого вопрос - чего я не понимаю?
Того, что исследовать надо не АФЧХ усилителя с разомкнутой ООС,
а АФЧХ петлевого усиления (глубины ООС, если так понятнее) (или по нерусски LoopGain).
Определяется эта хрень методами Миддлбрука, Тиана или в соответствии с пониманием процессов.
Первые два способа во вложении, третий покажу, если есть интрестинг.
Ни к чему не обязывающее пожелание: вот эти странные манипуляции по обеспечению устойчивости, уже лет 100 называются частотная коррекция. Прямой перевод нерусского слова неуместен.
- Вложения
-
- modelirovanie_ustroystv_v_pakete_LTSpice.pdf
- (4.08 MiB) Скачиваний: 64
Re: Компенсация обратной связи, LTSpice
Ср окт 04, 2023 17:18:20
Того, что исследовать надо не АФЧХ усилителя с разомкнутой ООС, а АФЧХ петлевого усиления (глубины ООС, если так понятнее) (или по нерусски LoopGain).
Вот тут моделируется четко оно, если что. Строится именно что график петлевого усиления. Ровно для этого я разделил цепи ОС по переменному и постоянному току, чтобы иметь возможность исследовать петлевое усиление без заморочек.
За книжку по LTSpice спасибо.
Re: Компенсация обратной связи, LTSpice
Чт окт 05, 2023 11:00:20
Ну какое петлевое? На схеме нет петли ООС. Книжку-то почитайте.
И научитеся уже, хоть бы в гугле:
1 -какие бывают бывают усилители (инвертирующие и неинвертирующие);
2 -как выглядит цепь ООС в каждом из них,
вот так:
и так:
3 -куды в кажном случае сигнал подаётся.
4 -как разделительный конденсатор включается, для получения 100% ООС по постоянному току:
А то мне прям стыдно даже смотреть на такое:
И научитеся уже, хоть бы в гугле:
1 -какие бывают бывают усилители (инвертирующие и неинвертирующие);
2 -как выглядит цепь ООС в каждом из них,
вот так:
и так:
3 -куды в кажном случае сигнал подаётся.
4 -как разделительный конденсатор включается, для получения 100% ООС по постоянному току:
А то мне прям стыдно даже смотреть на такое:
Re: Компенсация обратной связи, LTSpice
Чт окт 05, 2023 16:54:25
А то мне прям стыдно даже смотреть на такое
Вы не знаете, что такое компенсация повышением шумового усиления (noise gain) и не узнаете ее на схеме? Или вас удивляет способ разделения ОС по постоянному и переменному току? Что не так?
Re: Компенсация обратной связи, LTSpice
Пт окт 06, 2023 06:54:08
Как бы вам попонятнее объяснить?
Схема, это не картина. Картину рисуют, потому что умеют рисовать.
При составлении схемы, умение рисовать, это последнее, что требуется.
В технике на первом месте - функция устройства, работа, которую оно должно выполнять.
Если функция известная, типовая, то вменяемый проектировщик ничего не изобретает, а применяет известные, типовые схемы.
На картине вижу нечто, выполняющее функцию повторителя.
При этом входное сопротивление = 500 ом, а сопротивление нагрузки 10 килоом.
Нахрена, извиняюсь за выражение, это нужно?
Схема, это не картина. Картину рисуют, потому что умеют рисовать.
При составлении схемы, умение рисовать, это последнее, что требуется.
В технике на первом месте - функция устройства, работа, которую оно должно выполнять.
Если функция известная, типовая, то вменяемый проектировщик ничего не изобретает, а применяет известные, типовые схемы.
На картине вижу нечто, выполняющее функцию повторителя.
При этом входное сопротивление = 500 ом, а сопротивление нагрузки 10 килоом.
Нахрена, извиняюсь за выражение, это нужно?