Bestimmung der Phasenreserve einer Schaltung mittels LTSpice

OP #7715031
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Hallo,

ich versuche momentan die "open-loop"-Übertragungsfunktion einer OpAmp-Schaltung mittels LTSpice zu simulieren. Die Motivation dahinter ist keine konkrete technische Problemstellung, ich will einfach nur mein Verständnis verbessern.

Dabei habe ich folgende YouTube-Videos als Referenz verwendet:

  1. https://youtu.be/YYWlPFBebfc?t=196
  2. https://youtu.be/U6tP78BLr_A?t=155

Allerdings sind die Ergebnisse für mich nicht plausibel. Im Bild "transient1.jpg" ist die transiente Simulation der Schaltung mit einem Step-Input zu sehen. Man sieht ein deutliches Überschwingen, was mMn auf eine geringe Phasenreserve hinweist. (Die dazugehörige Simulationsdatei ist "opamp_differentiator.asc".)

Im Bild "ac_analysis1.jpg" ist die AC-Analyse nach Video (1) zu sehen. Das Ergebnis ist mMn völlig unplausibel, da der open-loop-Bodeplot die 0dB-Kennlinie nie erreicht. (Die dazugehörige Simulationsdatei ist "opamp_differentiator2.asc".)

Im Bild "ac_analysis2.jpg" ist die AC-Analyse nach Video (2) zu sehen. Das Ergebnis ist ebenfalls mMn völlig unplausibel, da die Phasenreserve hier 90° beträgt. (Die dazugehörige Simulationsdatei ist "opamp_differentiator3.asc".)

Unabhängig von den unplausiblen Ergebnisse finde ich auch komisch, dass sich die Ergebnisse mittels der Methoden aus Video (1) und (2) deutlich widersprechen.

Was mache ich falsch?

LT-Spice-Version: 24.0.12 mittels Whine unter Linux

Freundliche Grüße

Angehängte Dateien:
#7715185
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David schrieb:

Im Bild "ac_analysis1.jpg" ist die AC-Analyse nach Video (1) zu sehen. Das Ergebnis ist mMn völlig unplausibel, da der open-loop-Bodeplot die 0dB-Kennlinie nie erreicht. (Die dazugehörige Simulationsdatei ist "opamp_differentiator2.asc".)

C1 muss wie im Original an R1 angeschlossen bleiben und nicht am invertierenden Eingang des OPV.

David schrieb:

Im Bild "ac_analysis2.jpg" ist die AC-Analyse nach Video (2) zu sehen. Das Ergebnis ist ebenfalls mMn völlig unplausibel, da die Phasenreserve hier 90° beträgt. (Die dazugehörige Simulationsdatei ist "opamp_differentiator3.asc".)

Plotte "loop gain" d.h. nur V(out) und daraus dann die Phasenreserve ablesen. V(out)/V(fb) wäre "open loop gain".

Beide Methoden liefern das gleiche Resultat. Ausgehend von C1=470n dürfte die Phasenreserve nahe 0° sein.

OP #7715283
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Hallo Robert,

danke für die schnelle und hilfreiche Antwort! Ich habe jetzt beide Simulationen nachgebessert, und komme jetzt bei beiden auf das gleiche Ergebnis (Vergleich "ac_analysis1_vfb_vinm.jpg" und "ac_analysis2_vout.jpg"). Dementsprechend hat die Schaltung sogar eine minimal negative Phasenreserve.

Bei Methode 1 war das von dir angesprochene Problem die Ursache: Der Kondensator C1 muss am fb-Knoten hängen und nicht am inm-Knoten.

Bei Methode 2 war das Problem, dass ich den AOL_Loaded-Frequenzgang geplottet habe (entspricht V(out) / V(fb)) und nicht den Frequenzgang A_OL * beta (entspricht V(out)).

Im Anhang auch noch die korrigierte Simulation "opamp_differentiator2.asc".

Freundliche Grüße

Angehängte Dateien:
#7715309
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David - es ist bekannt, dass der opamp-basierte Differentiator eine Phasenreserve im Bereich von 0 Grad besitzt. Deshalb kann er auch so in der gezeigten Form nicht eingesetzt werden. Um die Schleifenverstärkung (loop gain) im kritischen Bereich anzuheben (und damit auch die Phase) muss der Eingangskondensator mit einem passenden Reihenwiderstand kombiniert werden.

Allgemeine Regel für loop-gain-Simulation: Suche eine Stelle innerhalb der Schleife, bei der eine Öffnung nur eine vernachlässigbare Last-Änderung verursachen wird (opamp-Eingang oder auch opamp-Ausgang). Andernfalls muss die Last nachgebildet werden oder besser/genauer: Simulation nach Middlebrook mit Doppeleinspeisung (nacheinander Simulation mit Teststspannung und Teststrom)

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