Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Interpretation Bode-Plot


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von Volker (Gast)


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Hallo,

habe gerade einen Bode-Plot, den ich nicht richtig interpretieren kann.

Für die Stabilität einer Schaltung kenne ich 2 Voraussetzungen:

1. Phase Reserve, wenn der Gain durch die 0dB Linie geht
2. Gain Reserve (unterhalb von 0dB) wenn die Phasenlage weitere -180Grad
erreicht.

Bei meinem vorliegenden Plot ist die erste Bedingung voll erfüllt, bei 
einem
Gain von 0dB lese ich ca. 65Grad Gain Margin ab --> stabil.

Aber wie ist dies mit der 2. Bedingung? Zwischen ca. 20kHz und 120kHz 
habe ich in etwa volle Phasendrehung, jedoch liegt der Gain in diesem 
Bereich bei
80-40dB. Was passiert denn da?

Kann mir da bitte jemand auf die Sprünge helfen?

Gruß

Volker

von Volker (Gast)


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keiner eine Idee?

Gruß
Volker

von Achim S. (Gast)


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Volker schrieb:
> keiner eine Idee?

Was soll die Kurve denn konkret darstellen? Die Schleifenverstärkung 
eines rückgekoppelten Systems? Dann wird das System wohl schwingen 
können.

Andererseits sieht die Kurve dafür etwas - seltsam aus. 160dB 
Verstärkung sind nicht so ganz alltäglich. Vielleicht würdest du mehr 
Antworten bekommen, wenn du nicht nur das seltsame Simulationsergebnis 
zeigst sondern auch noch anhängst, was du da eigentlich simuliert hast.

von Volker (Gast)


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Hallo Achim,

ja, es ist die AC Simulation (LT-Spice) einer OP-Schaltung dessen 
Ausgang mit einer einfachen Foldback Strombegrenzung (ca 7mA im 
Kurzschlussfall) versehen ist. R11 mit 100 Ohm sorgt dafür, dass die 
Schaltung in der Strombegrenzung ist.

In der DC-Simulation (CL_DC1.asc)schwingt nichts, sieht alles super aus. 
Die Strombegrenzung ist nach wenigen µs eingeschwungen, siehe CL_DC1.png

Auch in der Realität läuft die Schaltung einwandfrei und stabil, ich 
kann halt einfach die AC-Analyse nicht verstehen.

Vielleicht können auch die LT-Spice Profis nochmal drüberschauen.

Gruß und danke

Volker

von Fisch (Gast)


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Was ist V(a) und V(b)? Was zeigt die Übertragungsfunktion eigentlich? 
Die Übertragungsfunktion sieht seltsam aus.

Deine Übertragungsfunktion hat nirgens eine Phase welche -180° 
Unterschreitet, damit wäre das System stabil.* Du liesst nicht einen 
Phasemargin von 65° ab, sondern die Phasenverschiebung deines Systems 
ist 65°. Der Phasmargin wäre 180° - 65° = 115°
Der Gainmargin ist die Verstärkung welche du bei einer Phase von -180° 
hast. Dein System hat keine so starke Phasenverschiebung, damit kannst 
du den Gainmargin aus dem Graph gar nicht bestimmen.

Und erweitere mal die Frequenzachse auf unter 10Hz, es sieht aus als ob 
da noch ein Pol auf der linken Seite kommt.

*Bei dem Bodekriterium gibt es glaube ich noch eine Bedingung. Es ist 
nur gültig wenn die Amplitude nur einmal die 0dB Linie kreuzt. Bin mir 
in dem Punkt nicht mehr sicher, müsste ich mal nachgucken.

von Volker (Gast)


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Fisch schrieb: Was ist V(a) und V(b)?

Habe das ganze nach der Anleitung von LT gemacht,
http://www.linear.com/solutions/4449

Statt V/fb) und V(inm) in der Anleitung bei LT habe ich die Signale eben 
a und b genannt.

Im Anhang den Plot ab 0.1Hz

Gruß

Volker

von Achim S. (Gast)


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Volker schrieb:
> ja, es ist die AC Simulation (LT-Spice) einer OP-Schaltung dessen
> Ausgang mit einer einfachen Foldback Strombegrenzung (ca 7mA im
> Kurzschlussfall) versehen ist. R11 mit 100 Ohm sorgt dafür, dass die
> Schaltung in der Strombegrenzung ist.

d.h. du steuerst die Transistoren nicht linear an, sondern du nutzt 
deren nichtlineare Kennlinie (um ab einer bestimmten Spannung zu 
begrenzen).

Die AC-Analyse ist eine rein lineare Betrachtung. Alle Kennlinien werden 
durch Geraden ersetzt, die im Arbeitspunkt angepasst werden. Ein 
Nichtlineares Verhalten kannst du damit nicht untersuchen. Der 
Transistor wird in der AC-Simu "nicht umschalten", sondern sein 
linearisiertes Verhalten wird extrapoliert.

Für welchen Arbeitspunkt deiner Transistoren ist die AC-Analyse denn 
durchgeführt worden? Hat die Strombegrenzung bei simulierten 
Arbeitspunkt eingesetzt oder nicht? Der Bode-Plot dürfte in beiden 
Fällen sehr unterschiedlich aussehen.

von Volker (Gast)


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Hallo Achim,

um den DC-Arbeitspunkt des Transistors zu bestimmen (also, dass die 
Strombegrenzung schon greift) habe ich den + Eingang des Ops mit V4 auf 
2.5V
gelegt. Ohne Strombegrenzung müsste sich also am Ausgang (R11) eine 
Spannung von 10V einstellen (Feedback über R13, R12). Wenn ich mit der 
Mouse über den Ausgang fahre, kommt die Anzeige: DC-Operating Point 
V(Out)= 777mV.

Die 777mV bei 100 Ohm sind exakt die berechnete Strombegrenzung von 
7.77mA.
Da die Strombegrenzung nur über den Q2 funktioniert, muss er ja auch 
schon DC-mäßig bestromt werden.
Und ja, mich interessiert nur die AC-Analyse mit Strombegrenzung. Wie 
soll ich dies denn sonst auf Stabilität untersuchen?



Volker

von Realist (Gast)


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Volker schrieb:
> Gain_Phase_1.PNG

Mein alter Physiklehrer hätte mir dieses Diagramm um die Ohren gehauen - 
und zu recht. Wie wäre es, wenn du dazu schreibst, welche Ordinate zu 
welcher Kurve gehört?

Und du glaubst doch nicht, dass du in einer realen Schaltung ohne einen 
riesen Aufwand eine Dynamik von fast 200 dB realisiert bekommst. 
Mindestens die Hälfte davon ist graue Theorie. Guck mal ins Datenblatt 
vom OP.

p.s.
Volker schrieb:
> CL_DC1.PNG
Den Schaltplan würde ich mal aufräumen

von Josef (Gast)


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Du kannst dir in LTspice auch das Nyquist Diagramm anzeigen lassen.
(Rechte Maustaste auf linke Achse).

Fuer die uebliche Darstellung (auch f. d. Bode) sollte das Vorzeichen
gedreht werden: -V(a)/V(b). Linear spart sich das Vorzeichen im Video 
wohl
um besonders bequem die Gain Margin ablesen zu koennen.

Im Nyquist Diagramm sieht man, das der Punkt (-1,0) nicht umschlungen
wird. Das ganze ist also theoretisch stabil.

Praktische Probleme dieser Betrachtung wurden ja bereits angesprochen:
200dB, Arbeitspunkt, Nichtlinearitaet.

von Volker (Gast)


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Hallo Josef,

danke dir für die Hilfe, naja 200dB sehe ich nicht, eher 160.


Dass der Plot nicht unbedingt der Realität entspricht ist mir schon 
klar,
sonst hätte ich nicht nachgefragt.
mir geht es vielmehr um folgende Dinge:

- Wie könnte man die Simulation verändern (verbessern) um 
realitätsnähere
  Ergebnisse zu bekommen, geht das mit LT-Spice überhaupt?
- falls die AC-Simu nicht besser geht, wie untersucht man dann die 
Schaltung
  auf Stabilität?

Gruß

Volker

von Helmut S. (helmuts)


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Ich wundere mich etwas über diese Schaltung.
Was macht diese Schaltung eigentlich?
Gibt es dazu Literatur?

von Volker (Gast)


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Hallo Helmut,

diese Schaltung ist meine eigene Erfindung, angelehnt an die 
Strombegrenzung
des LM723 (Netzteil-IC).
Ziel der Schaltung ist es zunächst eine Verstärkung eines DAC-Signals 
(0-2.5V) am + Eingang des OPS um den Faktor 4 um damit Spannugen von 
0-10V zu erreichen. Faktor 4 wird erreicht durch R13,R12 Dabei ist die 
Last minimal 1kOhm.
Somit muss die Schaltung also einen Strom von max. 10mA bei 10V Ausgang 
zur Verfügung stellen.
Um den Ausgang gegen Kurzschlüsse zu schützen wird am Widerstand R15 die 
Spannung abgegriffen, erreicht diese Spannung etwa 0,7V wird Q2 leitend 
und die Rückkopplung des OPs findet nicht mehr nur über R13 statt 
sondern über Q2 und Q1.
R14, R18 sorgt dabei noch für eine Foldback 
Strombegrenzungs-charakteristik,
somit fliessen bei einem vollen Kurzschluss nur ca.7mA

In der Praxis, (Schaltung ist mehrfach aufgebaut) funktioniert die 
Schaltung perfekt, auch in der DC-Simulation ist alles gut, ich wollte 
eigentlich nur wissen, wie stabil die Schaltung in der Strombegrenzung 
ist.

Gruß
Volker

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