J'ai donc eu une bonne idée d'utiliser la rétroaction négative pour contrôler le courant de décalage dans mon circuit d'acquisition de données. Bien sûr, vous pouvez le faire dans le logiciel, mais la suppression du décalage à l'étape d'entrée réduirait le swing et permettrait plus de gain dans l'amplificateur pré-ADC sans saturation, améliorant ainsi le SNR.
J'ai donc conçu cette boucle de rétroaction et ma société l'a construite. Et il a oscillé à environ 50 kHz, ce qui n'est probablement pas une surprise pour la plupart des experts, car la seule analyse de stabilité que j'ai faite a été de vérifier trois fois que j'avais des commentaires négatifs.
La boucle réelle comprend un amplificateur d' échantillonnage et de maintien (cette section, qui comprend et les deux résistances, a été démontrée dans une itération précédente), mais oscillation ne se produit que pendant la phase de piste, de sorte que j'ai reproduit la boucle tel qu'il existe pendant la phase de piste.
L'idée centrale est que la boucle de rétroaction devrait forcer les deux entrées d'OA2 à la même tension (enfin, la tension de sortie divisée par le gain en boucle ouverte d'OA2), de sorte que la tension de décalage de soit forcée à . Ensuite, le sample-and-hold passe en mode hold et j'acquiers .
J'ai étudié la marge de gain et la marge de phase à l'école, mais je n'ai eu aucune pratique récente avec cela et je ne sais pas vraiment comment créer un tracé de Bode pour ce circuit réel. OA1 et OA2 sont un OPA2376 et OA3 est un OPA340 . Il existe des connexions supplémentaires pour le contournement de l'alimentation, etc., que j'ai laissées car je ne pense pas qu'elles soient pertinentes pour le chemin du signal. Mais n'hésitez pas à vous renseigner sur ceux-ci s'ils ont une raison pour la stabilité. Et l' alimentation représente le courant du capteur, qui n'est pas vraiment une source de courant idéale.
Comment développer un tracé de Bode pour des circuits comme celui-ci en utilisant des amplificateurs opérationnels non idéaux qui contiennent des pôles importants en plus de ceux créés par mes composants passifs? Il suffit de lire celles des fiches techniques et de superposer
Je suis inquiet parce que la fréquence d'oscillation est si basse et proche de ma bande passante souhaitée.
Ai-je raison de penser que le problème de décalage de phase est causé par les fréquences de coin des amplificateurs opérationnels en dessous de 10 Hz? Si j'utilise un réseau de rétroaction de résistance, je tronquerai le gain en boucle ouverte, en déplaçant la fréquence du coin vers la droite (là où le tracé en boucle ouverte croise mon nouveau gain)? Et le déphasage commencera également à une fréquence plus élevée?
Mon impression est que OA1 et OA3 ont un gain de tension unitaire (inverseur), en raison de la rétroaction existante. Ce qui laisse OA2 comme problème. Quelle serait une bonne boucle de rétroaction pour OA2 pour stabiliser la boucle dans l' ensemble, tout en gardant l'erreur de décalage petite et de régler peu de temps plus de (parce que je dois passer en mode attente)? Ou devrais-je plutôt ajuster la piste C tia et / ou R pour déplacer mes poteaux existants au lieu d'en créer de nouveaux?
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Réponses:
Wow, c'est impressionnant que vous posiez cette question, ça montre un courage admirable.
Analyse de stabilité de boucle dans le monde réel.
"Comment développer un tracé de Bode pour des circuits comme celui-ci en utilisant des amplificateurs opérationnels non idéaux qui contiennent des pôles importants en plus de ceux créés par mes composants passifs?"
Deux questions doivent être gardées à l'esprit lors de l'élaboration des conceptions de circuits:
La première question est la plus importante, mais nous allons la contourner maintenant pour examiner la seconde, qui est là où l'analyse de stabilité s'intégrerait dans le processus de conception. Ce sera une démonstration d'une technique bien connue, l'analyse de Bode, appliquée à des boucles simples constituées d'OpAmps, de résistances, de condensateurs et de pôles et zéros du demi-plan gauche. Bien que cela puisse être étendu à des types de boucles plus compliqués, il ne sera pas là, car cela sera suffisamment long. Ainsi, vous ne trouverez aucune discussion sur les topologies de boucle qui commutent périodiquement pendant un cycle de fonctionnement, pas de pôles disparaissants, pas de zéros errants dans le demi-plan droit, et pas d'autres astuces sales.
L'analyse de stabilité comprend trois étapes:
Quelques éléments à garder à l'esprit concernant l'analyse de Bode:
Nous allons passer par les étapes 1 et 2 en utilisant votre boucle comme exemple.
1. Rapide et sale
Drapeaux rouges
Jetez un coup d'œil rapide sur la boucle pour tout ce qui se démarque.
N'oubliez pas qu'il s'agit d'une impression instantanée, à la recherche de choses qui ressortent de façon éclatante. Cela fonctionne mieux si vous voyez ce qu'il y a en 5 ou 10 secondes. Il est souvent difficile de le faire avec votre propre circuit, une vue extérieure peut être très précieuse.
Enquête Pole, Zero et Gain
L'analyse de Bode asymptotique fonctionne mieux avec des pôles et des zéros simples et est moins précise avec des pôles et des zéros complexes en raison du facteur d'amortissement. Les boucles OpAmp ont généralement des pôles et des zéros simples. Allez-y et tenez compte des paires complexes, mais sachez que cette analyse approximative est susceptible d'être inexacte et trop optimiste lorsqu'elle est présente. Dans ce cas cependant, tous les pôles sont simples.
Il est généralement préférable de diviser les choses par étape OpAmp, donc:
Modèle de Bode asymptotique
En utilisant les emplacements des pôles de l'enquête, comptez la marge de phase en utilisant le modèle de Bode asymptotique. Rappelons que le pôle demi-plan gauche et les caractéristiques nulles selon Bode sont:
Tout d'abord, nous savons que nous n'avons qu'à faire attention à la phase dans ce cas en raison du gain élevé d'OA2. Additionnez simplement la phase pour quelques fréquences jusqu'à ce que nous trouvions où la marge de phase est nulle. Pour garder les choses propres, je vais le mettre dans un tableau.
L'utilisation d'une analyse de Bode approximative peut être un moyen très rapide de comprendre une boucle. Vous pouvez le griffonner sur une serviette dans une barre sombre et fraîche ... ah, tant pis, c'est une horrible perte d'une happy hour. Mais, vous pouvez le griffonner en marge d'une diapositive de revue de conception de la boucle pendant que le présentateur en parle, puis avant de retourner la diapositive, demandez-leur s'ils sont inquiets de tout ce décalage de phase. (Commencez à poser des questions comme celle-ci dans les revues de conception, et vous n'y perdrez probablement plus beaucoup de temps.)
Alors, qui fait ce genre d'analyse? Il semble que presque personne ne le fasse. La plupart des gens plongent dans le modèle numérique, ce qui est dommage. L'approche QnD peut vous faire penser à la boucle d'une manière que vous ne pourriez pas autrement. Après QnD, vous saurez essentiellement ce que la boucle devrait faire, et vous éviterez le plus gros problème avec la simulation numérique qui est la crédulité aveugle et l'acceptation d'une réponse magique.
2. Modèle numérique et simulation
Pour les deux amplificateurs utilisés ici, les paramètres du modèle sont:
Vous pouvez rompre la boucle n'importe où (sauf une jonction de sommation d'amplificateur) lors de la construction du modèle. J'ai choisi de le casser au nœud commun avec Rfb, Rtrack2 et OA3out en séparant Rfb pour en faire explicitement l'entrée pour le 1er étage (OA1). Ainsi, l'oscillateur (et l'entrée de boucle) irait dans OA1 via Rfb et la sortie de boucle serait à la sortie OA3. Construisez le modèle dans un simulateur de type SPICE de votre choix et tracez la magnitude et la phase de OA3out / Oscin.
Voici les résultats que j'ai obtenus de 1 Hz à 1 MHz.
Comment réparer cette boucle?
Dans cette boucle, OA2 est effectivement un amplificateur d'erreur, dont la fonction est de minimiser l'erreur (ou la différence) entre une référence et une certaine quantité contrôlée. Normalement, vous voudriez que OA2 ait un gain aussi élevé que possible sur DC pour minimiser l'erreur, donc la structure de base d'OA2 serait un intégrateur. Dans le meilleur des cas, la boucle ouverte aurait un gain de 20 dB / décade après le crossover à gain nul, avec une marge de phase de plus de 45 degrés. S'il y a n pôles dans la boucle, vous souhaitez que (n-1) zéros couvrent les pôles qui affectent le gain à des fréquences inférieures à la bande passante souhaitée. Dans ce cas, vous devez ajouter des zéros à l'étape OA2 pour couvrir les pôles en OA1 et OA3. Vous souhaitez également ajouter 2 pôles haute fréquence à OA2 pour gérer le gain en boucle fermée (de l'étage OA2) à l'approche du gain en boucle ouverte de l'OPA2376. Oh,
Matériel bonus
Retour à la question de conception 1: cette conception fait-elle ce qu'elle doit faire? La réponse est probablement non. Dans les commentaires, vous dites que vous essayez d'éliminer un bruit de fond ou un niveau ambiant du signal. Cela se fait généralement avec un double échantillonneur corrélé (CDS) ou quelque chose qui est parfois appelé un circuit de restauration DC. La première étape dans les deux cas serait de convertir le signal de courant en une source de signal de tension, essentiellement comme vous l'avez fait avec l'étage OA1, mais sans le retour de l'OA3.
Dans un CDS, après la conversion du courant en tension, il y aurait deux circuits d'échantillonnage. L'un échantillonnerait pendant la période de fond, tandis que l'autre échantillonnerait pendant la période active. La différence entre les deux sorties échantillonnées serait alors considérée comme le nouveau signal.
Dans la restauration CC, la représentation en tension du signal passerait par un amplificateur suivant couplé en CA. Pendant la période de fond, la borne du condensateur de couplage se connectant à l'entrée de l'amplificateur de suivi serait mise à la terre (ou liée à une référence), ce qui place la tension de fond aux bornes du condensateur. Ensuite, pendant la période active, la borne du condensateur serait libérée de la terre ou de la référence et laissée flotter, et c'est la tension du signal sans fond.
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Il semble que vous ayez essentiellement construit un oscillateur à déphasage autour d'OA2.
Regardez-le du point de vue de l'OA2. Localement, OA2 fonctionne comme un comparateur sans rétroaction locale autour de l'ampli, ce qui signifie simplement qu'il s'agit d'un étage de gain avec un gain très élevé.
Une rétroaction négative est fournie à OA2 via les étages OA3 et OA1. Ces deux étages ont un roulement à haute fréquence, ce qui signifie qu'il existe une zone de leur fonctionnement, dans le domaine fréquentiel, dans laquelle ils passent un certain signal, mais à un certain déphasage.
Parce que OA2 a un gain énorme, très peu de rétroaction est nécessaire pour maintenir l'oscillation (c'est-à-dire que très peu de signal doit passer par OA3 et OA1). Nous avons besoinA β= 1 , mais si UNE est énorme, alors b e t a besoin d'être petit.
À seulement 50 kHz, il n'y a que 83 degrés de décalage dans la phase OA3 et environ 55 degrés dans la phase OA1. C'est loin de 180. Pour compenser le mou, la boucle doit prendre quelques degrés de déphasage par rapport à certains comportements non idéaux de l'ampli op, comme les pôles de compensation internes. Mais cette croyance est difficile à justifier. En regardant les fiches techniques, les amplis opérationnels que vous utilisez n'ont pratiquement aucun déphasage jusqu'à 1 Mhz.
Quelque chose d'autre est en jeu: des capacités parasites à l'extérieur de l'ampli op, ou des chemins de rétroaction qui ne sont pas évidents d'après le schéma (peut-être à travers l'alimentation). Parce que OA2 est grand ouvert, il amplifie le signal le plus faible qui chevauche la tension de référence.
Les amplis sont CMOS, ils ont donc une impédance d'entrée très élevée, ce qui les rend sensibles aux capacités de shunt parasite. Dis que tu as undix12Ω impédance d'entrée. Une simple capacité parasite de 0,001 pF crée un pôle avec une fréquence de 3 dB de 160 Hz!
Si le circuit n'oscille pas du tout, la connexion d'une sonde d'oscilloscope à Vout pourrait ajouter suffisamment de capacité de shunt pour créer un pôle à l'entrée de OA1 qui ajoute le déphasage nécessaire pour le faire osciller.
Avez-vous des preuves que le circuit oscille à 50 kHz (ou oscille du tout) lorsque vous ne le définissez pas, et avez-vous essayé de brancher à plus d'un point de la boucle?
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