[LTspice] Stabilität Akerberg-Mossberg Hochpass im Bode-Plot

[Burkhard K. (buks)]

Ich möchte gerne die Stabilität eines Hochpass-Filters mit 
Akerberg-Mossberg-Topologie (aktive Phasen-Kompensation) in LTspice 
analysieren. Vom Aufbau auf dem Steckbrett weiss ich bereits, dass das 
Filter (OpAmps/GBP siehe Liste unten) im zweistelligen MHz-Bereich 
parasitär schwingt.

Eine Idee zur Stabilisierung (entnommen diesem Paper: 
https://www.semanticscholar.org/paper/Stability-analysis-and-design-methodology-for-an-Hilber-Burgstaller/bb0c5c84390992a337f22e625bccc63505082f92 
) ist die Reduktion des Loop-Gains des nicht-invertierenden Integrators 
(U2+U3). Dadurch sollte sich die Phasenreserve in dessen 0 dB-Punkt 
(TP2) vergrößern lassen. Dafür habe ich die Rückkopplungsschleife 
zwischen R5 und C2 aufgetrennt und probiere verschiedene "Attn"-Faktoren 
für die Widerstandskombination R2 u. R5 durch. Für den mich 
interessierenden Frequenzbereich (bis ca. 200 kHz / Ausgang TP1 oder 
TP2) ändert sich das Filterverhalten dadurch nicht.

Leider erschließt sich mir aus dem Bode-Plot das Stabilitätskriterium 
nicht - erwartet hätte ich einen Phasenversatz um -90°. Stattdessen sehe 
ich einen abnehmenden positiven Versatz. Aus meinen Steckbrettversuchen 
weiß ich bereits, dass TP2 bei Attn=3 marginal stabil ist (schwingt bei 
"Anregung" mit ca. 15 MHz) und bei Attn=6 nicht mehr schwingt. Aber wie 
korrespondiert das zum simulierten Plot? Schaue ich überhaupt an der 
richtigen Stelle nach?

Verwendete OpAmps:
    U1      : 56 MHz GBP (ADA4841)
    U2/U3   : 24 MHz GBP (AD8648)

    Fc      : 100 kHz
    A(TP1)  : ~ 200

[Klaus R. (klara)]

Burkhard K. schrieb:
> Ich möchte gerne die Stabilität eines Hochpass-Filters mit
> Akerberg-Mossberg-Topologie (aktive Phasen-Kompensation) in LTspice
> analysieren. Vom Aufbau auf dem Steckbrett weiss ich bereits, dass das
> Filter (OpAmps/GBP siehe Liste unten) im zweistelligen MHz-Bereich
> parasitär schwingt.

Steckbrett und HF? Überleg doch mal wie lang die Leitungen sind. Da 
solltest Du schon eine HF - konforme Platine verwenden.
mfg Klaus

[Burkhard K. (buks)]

Klaus R. schrieb:
> Steckbrett und HF?

Seit wann gelten 200 kHz als HF?

[hinz (Gast)]

Burkhard K. schrieb:
> Seit wann gelten 200 kHz als HF?

Schau dir mal deine Opamps an.

[Burkhard K. (buks)]

hinz schrieb:
> Schau dir mal deine Opamps an.

Liebe Leute - bitte noch mal die Überschrift und die Eingangsfrage 
anschauen. Akerberg-Mossberg hat inherent eine Instabilität im 
nicht-invertierenden Integrator - um dessen Analyse in geht es.

BTW: Die Oszillationen sieht man auch auch mit einem 2 MHz GBP OpAmp, 
nur dann eben im einstelligen MHz-Bereich.

[Lutz V. (lvw)]

Wie ich sewhe, hast Du zur Stabilitätsprüfung ja nur die "kleine" 
Schleife beim Phase-lead-Integrator geöffnet....und warum nicht die 
"über-alles-Rückkopplungsschleife"?
Sofern die Schaltung instabil ist, zeigt das auch diese kleine Schleife 
an - aber: Für den Fall der Stabilität kannst Du so nicht die Reserve 
richtig bestimmen.

Übrigens - Man kann dem Einfluss der realen OPV auch gezielt 
entgegenwirken (kompensieren). Dazu gibt es Methoden 
(simulationsgestützt).

PS: Wenn es Dir nur um den Phase-lead-Integrator geht - untersuche 
diesen doch mal separat....

[Hp M. (nachtmix)]

Burkhard K. schrieb:
> Vom Aufbau auf dem Steckbrett weiss ich bereits, dass das
> Filter (OpAmps/GBP siehe Liste unten) im zweistelligen MHz-Bereich
> parasitär schwingt.

Für einen Steckbrett-Aufbau ist das doch schon ein schöner Erfolg.

Burkhard K. schrieb:
> BTW: Die Oszillationen sieht man auch auch mit einem 2 MHz GBP OpAmp,
> nur dann eben im einstelligen MHz-Berei

Na bitte, es geht auch einfacher!
Hauptsache Steckbrett.

[Lutz V. (lvw)]

Burkhard K. schrieb:
> Liebe Leute - bitte noch mal die Überschrift und die Eingangsfrage
> anschauen. Akerberg-Mossberg hat inherent eine Instabilität im
> nicht-invertierenden Integrator - um dessen Analyse in geht es.

Mir ist - ehrlich gesagt - noch nicht ganz klar, was Deine Ziel ist. 
Ganz zu Anfang sprachst Du davon, die Stabilitätseigenschaften des 
gesamten Hochpass-Filters analysieren zu wollen - jetzt sprichst nur 
noch vom Phase-lead-Integrator....

Trotzdem noch ein Tip: Du kannst die Bandbreite - und damit auch die 
eigentlich unerwünschte Phasendrehung - des Inverters in der Rückführung 
des Integrators reduzieren durch eine vorsichtige POSITIVE Rückopplung 
durch einen zusätzlichen Spannungsteiler auf seinen "+" Eingang. Das 
ändert natürlich die Stabilitätseigenschaften des Integrators.

[Gunnar F. (gufi36)]

Bin nicht sicher, ob dir das hilft:
kennst Du das Video, in dem die Stabilitätsanalyse vom Experten gezeigt 
wird?
Ich fand es hochinteressant!
https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/5579254320001.html

[Mohandes H. (Firma: مهندس) (mohandes)]

Burkhard K. schrieb:
> Vom Aufbau auf dem Steckbrett weiss ich bereits, dass das Filter
> (OpAmps/GBP siehe Liste unten) im zweistelligen MHz-Bereich parasitär
> schwingt.

Auf einer idealen Platine würde vermutlich - wie auch in der Simulation 
- nichts schwingen.

Du könntest Dir mal überlegen wo auf dem Steckbrett die relevanten 
parasitären Kapazitäten und Induktivitäten stecken und die in die 
Simulation einbringen.

[Burkhard K. (buks)]

Lutz V. schrieb:
> Wie ich sewhe, hast Du zur Stabilitätsprüfung ja nur die "kleine"
> Schleife beim Phase-lead-Integrator geöffnet....und warum nicht die
> "über-alles-Rückkopplungsschleife"?
Das habe ich natürlich auch versucht, aber mit dem Ergebnis wenig 
anfangen. Falls Du eine andere Stelle zum Auftrennen meinst - könntest 
Du die bitte markieren?

> Sofern die Schaltung instabil ist, zeigt das auch diese kleine Schleife
> an - aber: Für den Fall der Stabilität kannst Du so nicht die Reserve
> richtig bestimmen.
Danke - das war genau mein Punkt / meine Frage. Im eingangs verlinkten 
Paper wurde die "kleine Schleife" aufgetrennt - was in der dortigen Abb. 
4 recht überzeugend aussieht.

Lutz V. schrieb:
> Mir ist - ehrlich gesagt - noch nicht ganz klar, was Deine Ziel ist.
> Ganz zu Anfang sprachst Du davon, die Stabilitätseigenschaften des
> gesamten Hochpass-Filters analysieren zu wollen - jetzt sprichst nur
> noch vom Phase-lead-Integrator....

Naja - tatsächlich haben die Erfinder dieser Topologie (Akerberg u. 
Mossberg) in ihrer ursprünglichen Veröffentlichung argumentiert, dass es 
vernachlässigbar wäre, falls der Integrator schwingt. Tatsächlich aber 
wirkt diese Oszillation über die Spannungsversorgung bzw. bei 
Single-Supply-Betrieb über die Midpoint-Referenz auf das Filter zurück.

Zudem - und für mich interessant - kann der Integrator-Ausgang (TP2) als 
zusätzlicher, umschaltbarer Hochpass erster Ordnung genutzt werden - und 
dann stören Oszillationen natürlich unmittelbar.

Lutz V. schrieb:
> in der Rückführung
> des Integrators reduzieren durch eine vorsichtige POSITIVE Rückopplung
> durch einen zusätzlichen Spannungsteiler auf seinen "+" Eingang
Das wird z.B. der TI-Appnote 
https://www.ti.com/lit/an/snaa287a/snaa287a.pdf beschrieben, hatte in 
meinen Versuchen aber wenig Effekt.

Gunnar F. schrieb:
> Ich fand es hochinteressant!
> https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/5579254320001.html
Klar kenne ich das, IMO ist dieses Video ein "Must-see".

Mohandes H. schrieb:
> Auf einer idealen Platine würde vermutlich - wie auch in der Simulation
> - nichts schwingen.
Im Gegenteil. Die Schwingungsneigung des Phase-lead-Integrators ist in 
der Literatur ausführlich beschrieben - auch bereits von den Erstautoren 
Akerberg und Mossberg. Verursacht wird sie durch die begrenzte 
Bandbreite der benutzen realen OpAmps - und kann sehr wohl simuliert 
werden. Macht aber bei einer Simulationsgeschwindigkeit von 
durchschnittlich 300ns/s wenig Spaß.

[Lutz V. (lvw)]

Burkhard K. schrieb:
> Das wird z.B. der TI-Appnote
> https://www.ti.com/lit/an/snaa287a/snaa287a.pdf beschrieben, hatte in
> meinen Versuchen aber wenig Effekt.

So wie ich das sehe, wird in der TI-Note ein Widerstand zwischen p und 
n-Eingang des OP gelegt, der auch die Schleifenverstärkung reduzieren 
kann...
Bist Du denn sicher, dass der Integrator die Ursache für da Scxhwingen 
ist?

Andere (noch gar nicht angesprochene Frage): Welche Polgüte etwa soll 
den der Hochpass haben? Also welche Approximation strebst Du an? 
Butterworth oder...?

Stabilitätsprüfung:
(1) Zwecks Analyse der kleinen Schleife (Integrator) sollte/muss die 
"große" Schleife offen sein
(2) Interessant ist natürlich auch der Loop Gain der großen Schleife 
(natürlich bei funktionsfähigem Phase-lead-Integrator).

[Lutz V. (lvw)]

Ich habe etwas "rumsimuliert"....

OPV: LT1022 (8,5 MHz)
Phaselead-Integrator mit Nulldurchgang bei etwa 20 kHz (T=8µsec)

Aus Arbeitspunktgründen habe ich den Kondensator (1nF) mit 10 Megohm 
überbrückt. Längs-Widerstand 8k.
Inverter in der Rückführung mit 2x 10k Gegenkopplung.

* AC-Analyse: Integrator-Funktion sieht OK aus - alledings zeigt der 
Phasenanstieg im Bereich 100..200 kHz, dass die Gefahr der Instabilität 
besteht. Das kann die Loop-Gain-Analyse bestätigen

* Loop Gain: Einspeisung Testsignal zwischen (Haupt-)OPV-Ausgang und 
Längswiderstand des Inverters.
Ergebnis: Phasendrehung über 360 Grad hinaus bei Nulldurchgang des 
Betrags (etwa bei 5MHz).
Also: Oscillation.
Erst ein Widerstand von 75 Ohm (!!) zwischen n-Eingang des Inverters und 
Masse hat diese Phase soweit angehoben, dass der Integrator stabilisiert 
wurde.

* Eigentlich ist er jetzt aber gar kein Integrator mehr, denn die Phase 
weicht beim Nulldurchgang der Integratorfunktion doch schon deutlich von 
90 Grad ab.

* Fazit: Das, was die Schaltung soll - nämlich: den negativen 
Phasenfehler des Haupt-OPV ausgleichen (verringern, kompensieren), macht 
der OPV in der Rückführung viel zu stark (Überkompensation). Es müsste 
dort ein viel breitbandiger OPV eingesetzt werden als der Haupt-OPV.

* Verbesserung: Diese Überlegung führt zu einer drastischen Verbesserung 
der Stabilität. Wenn man dem Inverter die Verstärkung 0.1 gibt (Faktor 
10 kleiner) und den Integrationskondensator um diesen Faktor vergrößert, 
ist das Problem eigentlich gelöst...keine Instabilität mehr sogar ohne 
Kompensations-R zwischen den Eingängen...

[Burkhard K. (buks)]

Werde wohl erst morgen dazu kommen, die Details zu verdauen - aber ich 
danke Dir schon mal.

Lutz V. schrieb:
> Welche Polgüte etwa soll den der Hochpass haben?
Butterworth - richtig. Das schöne an dieser Schaltung - Q kann 
unabhängig von den anderen Parametern durch das Verhältnis R6:R 
eingestellt werden.

[letallec (Gast)]

Burkhard K. schrieb:
> Ich möchte gerne die Stabilität eines Hochpass-Filters mit
> Akerberg-Mossberg-Topologie (aktive Phasen-Kompensation) in LTspice
> analysieren.

Das kannst Du Dir sparen.

Das Ende ist nahe.

Burkhard K. schrieb:
> aktive Phasen-Kompensation

Alle Automaten oszillieren. Immer.

Du brauchst einen sedieren Automaten. Also eine 
Akerberg-Mossberg-Topologie mit einem sedieren Automaten.

Lutz V. schrieb:
> Trotzdem noch ein Tip: Du kannst die Bandbreite - und damit auch die
> eigentlich unerwünschte Phasendrehung - des Inverters in der Rückführung
> des Integrators reduzieren durch eine vorsichtige POSITIVE Rückopplung
> durch einen zusätzlichen Spannungsteiler auf seinen "+" Eingang. Das
> ändert natürlich die Stabilitätseigenschaften des Integrators.

Das Ende ist nahe. Wir sterben alle an Gehirnrrweichung.

[Lutz V. (lvw)]

letallec schrieb:
> Das Ende ist nahe. Wir sterben alle an Gehirnrrweichung.

Nein, nicht alle, nur....