Frage:
Kondensator nach Spannungsreferenz "für Stabilität"
Magic_Matt_Man
2017-08-29 22:18:19 UTC
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Ich habe viel Erfahrung mit eher "Low-Level" -Elektronik (Widerstandsnetzwerke, passive Filter, grundlegende Operationsverstärkerschaltungen) und einige Erfahrungen mit übergeordneten Dingen wie Mikrocontrollern, aber ich habe derzeit Probleme mit dem Lernen der Bits dazwischen. Als solches entschuldigen wir uns, wenn diese Frage dumm oder ein offensichtliches Duplikat ist, aber hier geht.

Ich habe an einer Schaltung gearbeitet, die ein Kollege von mir entworfen hat und die eine 2,5-V-Spannungsreferenz LTC6655 enthält. In der Schaltung und im Datenblatt fordert das Gerät, dass eine 10-uF-Kappe an seinen Ausgängen angebracht wird, sagt jedoch nicht, warum. Da ich auf eine Lieferung von 10uF-Kappen wartete und nur kleinere hatte, nahm ich dummerweise an, dass es nur zum Glätten / Filtern von Leitungen da war, und entschied, dass es für den Test keinen Unterschied machen würde, wenn ich diesen Teil nur bis zum auslassen würde Lieferung angekommen.

Als ich die Schaltung einschaltete, gab die Referenz natürlich nur 1,75 V statt 2,5 V aus. Nachdem ich alle Ein- und Ausgänge sowie die Lastparameter gründlich überprüft hatte, war ich ratlos und ging zurück zu meinem Kollegen, der darauf hinwies, dass der fehlende Kondensator "für die Stabilität" benötigt wird. Ich habe das benötigte Teil (das gerade eingetroffen ist) skeptisch installiert und sofort hat das Ding wie erwartet funktioniert.

Wäre jemand bereit, mich auf einen Text zu verweisen, um zu erklären, was dieser Kondensator tut, oder um es mir selbst zu erklären? Ich würde es sehr schätzen.

Auf Seite 11 des Datenblattes wird viel über die Ladekappe gesprochen ... http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/6655ff.pdf Vielleicht können Sie das daraus herausfinden, ich binIch denke, der ESR von allem, was Sie ursprünglich verwendet haben, war möglicherweise zu hoch.
Dieser Link enthält viele sehr spezifische Details für Sie, die genau auf Ihre Frage zugeschnitten sind: http://www.ti.com/lit/wp/snoa842/snoa842.pdf Beginnen Sie unten auf Seite 5 unter Lineare Regler.
Ohne den Kondensator wurden wahrscheinlich Rail-to-Rail-Schwingungen ausgegeben, deren Mittelwert zufällig 1,7 V betrug.
Vier antworten:
bobflux
2017-08-29 22:33:11 UTC
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Die Referenz hat einen geringen Ausfall. Wie Sie im internen Schaltplan (Datenblatt Seite 10) sehen können, wird sie als Bandlückenreferenz implementiert, gefolgt von einem Rail-to-Rail-Puffer-Opamp.

Beachten Sie die Polarität der Ausgabegeräte. Das PMOS befindet sich oben und das NMOS unten, bei dem es sich um eine Rail-to-Rail-Ausgangsstufe handelt.

Beide Transistoren verhalten sich wie geregelte Stromquellen. Es ist möglich, einen solchen Operationsverstärker wie die meisten Operationsverstärker ohne Kondensator am Ausgang stabil zu machen, aber hier wird erwartet, dass die Referenz eine Obergrenze am Ausgang hat.

Es ist schwierig, eine solche Rail-to-Rail-Ausgangsstufe (die einem LDO sehr ähnlich ist) sowohl mit als auch ohne Kapazität stabil zu machen. Da die Ausgangstransistoren gesteuerte Stromquellen sind, steuert der Wert der Ausgangskappe die Verstärkung im offenen Regelkreis. Auch sein ESR fügt eine Null hinzu.

Also haben sich die Designer auf einen bestimmten Kapazitätswert festgelegt und die Schaltung darauf abgestimmt. Wenn Sie sich das "Ausgangsrauschspektrum" auf Seite 10 unten ansehen, werden Sie sehen, dass 10µF optimal sind ... dies ist kein magischer Wert, einfach der Designer hat die Schaltung darauf abgestimmt.

Das Datenblatt auf Seite 11 enthält nun Hinweise zur Auswahl des Kondensators. Lesen Sie es daher auch ...

+1 für die spezifische Erwähnung von LDO, was wahrscheinlich von zentraler Bedeutung für die Frage ist.
Mea culpa- Ich überflog das Bit auf Seite 11, ohne es richtig zu lesen.Mir bleibt aber immer noch unklar, wie genau das Fehlen eines Kondensators einen Spannungsversatz einführt.Entschuldigung, wenn ich nur dicht bin (was auf den Ansätzen anderer Befragter basiert, scheint es so zu sein) ...
@Magic_Matt_Man, Re: Spannungsoffset, betrachten Sie es mit einem Zielfernrohr, es kann oszillieren.
Der "Spannungsversatz" ist darauf zurückzuführen, dass Ihr Multimeter etwas misst, das möglicherweise nahe am Durchschnitt der Schwingspannung liegt oder nicht. Je nach Frequenz, Multimeter kann der Wellenformfehler klein oder erheblich sein, wer weiß?Verwenden Sie besser ein Zielfernrohr.
Joren Vaes
2017-08-29 22:36:11 UTC
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Dies hat mit der Schleifenstabilität zu tun.

Ich werde nicht auf die Details des Barkhausen-Stabilitätskriteriums eingehen, da ich denke, dass dies zu weit gehen würde, aber vielleicht kann eine Analogie erklären, was los ist. Dies wird viele "handwavey" Begriffe beinhalten, aber ich mache mir Sorgen, wenn ich in die Mathematik gehe, wird es für jemanden, der neu im Konzept ist, zu schwer zu verstehen sein.

Innerhalb der Spannungsreferenz befindet sich eine Art Pufferschaltung. Dies ist eine Form von Opamp, bei der versucht werden muss, die Ausgabe auf den gleichen Wert wie die Eingabe zu setzen. Auf diese Weise ziehen Sie keinen Strom aus der tatsächlichen Spannungsreferenz, was die Leistung verbessern kann.

Stellen Sie sich nun Folgendes vor: Der Operationsverstärker verfügt über eine Rückkopplung, mit der die aktuelle Ausgangsspannung mit der Referenzspannung verglichen werden kann. Die Sache ist, dass es eine Art Verzögerung (dies ist die Phasenantwort der Schaltung) zwischen der Messung des Eingangs und der Änderung des Ausgangs gibt.

Nehmen wir an, die Ausgabe ist etwas zu klein. Der Operationsverstärker bemerkt diesen Unterschied und versucht, die Ausgangsspannung zu erhöhen. Dies geschieht und es wird jetzt festgestellt, dass sich der Ausgang auf dem gleichen Pegel wie der Eingang befindet. Daher wird versucht, diesen Pegelanstieg zu stoppen. Wie ich bereits sagte, gibt es jedoch eine gewisse Verzögerung zwischen der Eingangsmessung und der Änderung des Ausgangs - mit anderen Worten, der Ausgang wird zu hoch, weil der Operationsverstärker nicht schnell genug anhalten kann. Jetzt bemerkt der Opamp, dass der Ausgang zu hoch ist, und versucht, ihn wieder nach unten zu drücken. Wieder fängt es damit an, aber sobald es genau richtig ist, wird es zu spät sein und zu niedrig werden. Dies geschieht immer und immer wieder - es ist, als ob es eine Welle am Ausgang gibt! Mit anderen Worten, Sie haben keine schöne stabile Spannung, aber Sie haben eine schwankende Spannung, die ständig über- und unterschreitet! Dies nennen wir Schleifeninstabilität.

Also, woher kommt dieser Kondensator?Der Schlüssel ist, dass die Geschwindigkeit, mit der der Opamp seinen Ausgang nach oben und unten drücken kann.Wenn Sie Kapazität hinzufügen, muss es härter arbeiten, um den Ausgang in die eine oder andere Richtung zu verschieben.Dies bedeutet, dass es kein Überschwingen gibt (oder zumindest langsam aussterben wird).Der Operationsverstärker kann jetzt schneller reagieren, als er den Ausgang ändern kann, so dass er nicht länger ständig hinter dem Schwanken des Ausgangs über und unter der Referenzspannung zurückbleibt.

Danke für die Erklärung.Ich verstehe bereits, wie Schwingungen in einem Rückkopplungssystem entstehen, und ich verstehe, was Stabilität ist.Was ich nicht verstehe ist, warum ich einen einfachen Spannungsabfall gelesen habe.Ist es nur so, dass der Ausgang tatsächlich schnell oszillierte und das DMM nur einen RMS-Wert las? Ist es das, worauf Sie in Ihrem letzten Absatz eingehen? "Es wird nicht länger konstant zurückbleiben, wenn der Ausgang über und unter der Referenzspannung schwingt."
Ich war mir nicht sicher, was Sie getan oder nicht verstanden haben, daher erklärte ich die Ursache der Instabilität.Mit welcher Spannung versorgten Sie Ihren Stromkreis?Es ist sehr wahrscheinlich, dass Ihr Opamp oszillierte und dabei auf die Schienen traf.1,53 V könnten dann ein Durchschnittswert sein.
Ja, das ist großartig, vielen Dank.Ich denke, das ist passiert.
Andy aka
2017-08-29 22:31:52 UTC
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In der Schaltung und im Datenblatt fordert das Gerät eine 10uF-Kappe an auf seine Ausgänge gelegt werden, aber es sagt nicht, warum

Das Datenblatt lautet: -

Ein Ausgangskondensator mit einem Wert zwischen 2,7 μF und 100 μF sind ebenfalls erforderlich

Der Ausgangskondensator wirkt sich direkt auf die Stabilität beim Einschalten aus Zeit und Siedlungsverhalten. Wählen Sie einen Kondensator mit niedrigem ESR, um dies zu gewährleisten Stabilität. Widerstand in Reihe mit dem Ausgangskondensator (ESR) führt eine Null in die Ausgabepuffer-Übertragungsfunktion ein und könnte Instabilität verursachen. Der Bereich von 2,7 μF bis 100 μF umfasst verschiedene Arten von Kondensatoren, die als Durchgangsloch und Oberfläche leicht verfügbar sind Komponenten montieren. Es wird empfohlen, den ESR kleiner oder gleich zu halten 0,1 Ω. Kapazität und ESR sind beide frequenzabhängig. Bei höheren Frequenzen nimmt die Kapazität ab und der ESR steigt an. Stabil zu versichern Betrieb Der Ausgangskondensator sollte die erforderlichen Werte bei haben 100 kHz.

Es gibt auch ein Diagramm, das die Auswirkungen eines zunehmenden Rauschens zeigt, wenn dieser Kondensator variiert wird: -

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Es ist alles in Schwarzweiß und hübschen farbigen Linien in der Grafik vorhanden. Darüber hinaus ist dies der niedrigste und stabilste Regler unter £ 12, und Sie würden erwarten, einen Kondensator am Ausgang anzubringen, um sicherzustellen, dass die Hochfrequenz-Ausgangsimpedanz sehr niedrig gehalten wird (um das Rauschen niedrig zu halten).

Vielen Dank für die Erklärung, aber Sie müssen sich nicht herablassen.Es tut mir leid, dass ich das Datenblatt nicht gründlich genug gelesen habe, aber ich wusste nicht, dass die Schlüsselbegriffe "Bypass" oder "Last" -Kondensator sind.Als ich das Datenblatt zum ersten Mal überflog, sah ich den Satz "Ein Ausgangskondensator mit einem Wert zwischen 2,7 μF und 100 μF ist ebenfalls erforderlich", als ich Informationen zu den Ausgangsstiften betrachtete, und ich sah das "hübsche" Diagramm, aber ich vermisste den Text weiter unten.Das war meine Schuld.Ich verstehe immer noch nicht ganz, warum "Instabilität" in diesem Fall zu einem einfachen Spannungsversatz führt.
Haben Sie die Spannung mit einem Messgerät gemessen und nein, ich war nicht absichtlich herablassend.Wenn Sie mit einem Messgerät gemessen haben, hat der Ausgang wahrscheinlich ein- und ausgeschaltet und eine durchschnittliche Spannung von 1,75 Volt erzeugt.
@Magic_Matt_Man, Weißt du nicht, dass "die beste Verteidigung eine gute Offensive ist?"Auch hier geht es nicht darum, etwas nicht zu wissen.Sie haben einen Mangel an Grundkenntnissen auf dem Gebiet der analogen Regelung zum Ausdruck gebracht, dass jeder Regler (insbesondere ältere Konstruktionen) Einschränkungen hinsichtlich des Lastkondensators aufweist, wenn der ESR-Bereich in der Dokumentation angegeben wird, andernfalls würde der Regler OSZILLIEREN, wenn der ESR zu klein ist oderzu hoch.Es wird mit dem OSZILLIEREN beginnen, alles in Übereinstimmung mit den Phasenrändern der grundlegenden Steuerungstheorie.Zwar haben wir heute spezielle LDO-Designs namens "capless", aber es war eine lange Anstrengung.
"Auch hier geht es nicht darum, etwas nicht zu wissen. Sie haben einen Mangel an Grundkenntnissen im Bereich der analogen Regulierung zum Ausdruck gebracht ..." Hier scheint es einen Widerspruch zu geben, aber ich habe nicht vor, mit Ihnen darüber zu streiten, da ich bessere Dinge mit meinem Leben zu tun habe.Wie Sie wiederholt betont haben, kannte ich einige Details zur analogen Regulierung nicht, aber ich versuche, weniger unwissend zu werden.Vielen Dank, dass Sie die Lektion über Schwingungen wiederholt haben.
John D
2017-08-29 22:35:30 UTC
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Eine Referenz wie Ihr LT-Teil oder ein LDO ist ein Steuerungssystem, das den Ausgang misst und mit einer Referenz vergleicht, um zu versuchen, den Ausgang auf der gewünschten Spannung zu halten. Das heißt, Es wird Feedback verwendet.

Jedes Mal, wenn Sie ein Feedback-Kontrollsystem haben, besteht die Möglichkeit einer Instabilität. Wenn beispielsweise die Rückkopplung des Ausgangssignals so verzögert ist, dass zum Zeitpunkt des Eintreffens der Korrektur der Fehler tatsächlich verstärkt wird, erhalten Sie eine Schwingung.

Streng genommen müssen Sie sich die Übertragungsfunktion im offenen Regelkreis ansehen. Wenn die Verstärkung 0 dB überschreitet und die Verstärkung 0 dB überschreitet, ist Ihre Schleife instabil. Ihr Arbeitskondensator beeinflusst die Form der Open-Loop-Verstärkung so, dass ein ausreichender "Phasenabstand" vorhanden ist. (Die Phasendifferenz auf -180 Grad, wenn die Verstärkung 0 dB überschreitet). Der ESR Ihrer Kappe und die Kapazität erzeugen eine Null, die die Phase erhöht und möglicherweise der Grund für die zusätzliche Stabilität ist.

Sie können viele Informationen im Web finden, wenn Sie Google "Kontrolltheorie" verwenden.

Zum Beispiel: Klassische Kontrolltheorie

+1 für die spezifische Erwähnung von LDO, was wahrscheinlich von zentraler Bedeutung für die Frage ist.
Ich verstehe eine Steuerungstheorie, ich verstehe, wie Schwingungen in einem Rückkopplungssystem entstehen, und ich verstehe, was "Stabilität" ist.Was ich nicht verstehe ist, warum ich einen einfachen Spannungsabfall gelesen habe.Ist es nur so, dass der Ausgang tatsächlich schnell oszillierte und das DMM nur einen RMS-Wert las?
Schwer zu sagen, was das DMM gelesen hat, aber es könnte sicherlich ein oszillierendes Signal als Gleichstromwert lesen (möglicherweise RMS, wenn es sich um ein echtes RMS-Messgerät handelt und das Signal mit dem BW der RMS-Schaltung übereinstimmt.) Natürlich ist dies ein Bereichder Weg, um sicher zu sagen.
Ja, danke für den Vorschlag.Obwohl ich verstehe, wie Oszillationen im Allgemeinen entstehen können, hatte ich nicht die Verbindung hergestellt, dass sie in diesem speziellen Fall meine Schwierigkeiten verursachen könnten, daher habe ich nicht daran gedacht, ein Oszilloskop zu verwenden, sondern nur ein DC-DMM.Ich habe es mit einem Zielfernrohr überprüft und es gibt tatsächlich Oszillationen (sogar mit installiertem Kondensator), sodass irgendwo etwas anderes nicht stimmt ... Zeit für eine weitere Fehlersuche!


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