Stabilità di un amplificatore retroazionato

[MauroLombardi]

Salve a tutti, scusatemi, questo è il mio primo post, mi servirebbe un aiuto dal momento che non sono molto ferrato in materia. Ho cercato informazioni in rete ma per mia ignoranza non ci ho capito nulla!

Sto simulando un amplificatore audio controreazionato utilizzando LTspice.

1) Ho collegato a massa l'ingresso non invertente
2) Ho aperto l'anello di reazione che attraverso un resistore va dall'ucita all'ingresso invertente
3) Ho etichettato il filo che va verso l'uscita dell'amplificatore come FBout
4) Ho etichettato il filo che va verso l'ingresso invertente come FBin
5) Ho inserito tra FBout e FBin una sorgente con parametri AC=1 DC=0, fase positiva verso FBout
6) Ho fatto l'analisi in AC con questo comando: .ac oct 100 10 100000k (quindi partendo da 10 Hz fino a 100 MHz)

Con questo set di misura voglio tracciare un grafico dal quale capire con pochissima matematica se l'amplificatore è stabile oppure no.

Come devo fare?
Grazie a chi potrà dedicare del tempo per aiutarmi.

[gill90]

Buongiorno e benvenuto Mauro.
Se ho interpretato bene dovresti aver fatto tutto correttamente (magari inverti il tuo generatore di tensione AC con il positivo verso FBin, non dovrebbe cambiare nulla a livello di simulazione ma è più corretto), unica cosa ti consiglio di simulare a decadi, non ottavi.

Lancia una simulazione e nel grafico aggiungi una traccia la cui espressione è il rapporto tra le due tensioni FBout e FBin, dovrebbe essere "V(FBout)/V(FBin)" (vado a memoria).
Questo grafico rappresenta in tuo guadagno d'anello, diviso in due sottoparti che sono il modulo (dB) e la fase (in gradi): per casi semplici come questo, è sufficiente verificare che alla frequenza di attraversamento del modulo a 0dB corrisponda una fase maggiore di -180°. A seconda delle convenzioni (e dei simulatori), può anche essere che troverai 0° come limite di instabilità, e quindi il punto di partenza sarà 180°; in generale, indipendentemente dalle convenzioni, scendi in frequenza fino quasi alla continua e guarda che andamento ha la fase: dovrebbe fare un salto verso il basso più piccolo di 180°, altrimenti il tuo sistema diventa instabile.

Cerca di tenere un margine di fase (la distanza dal punto critico a 180°) possibilmente più grande di 45°: questo ti garantisce più immunità alle variazioni del guadagno e una migliore risposta ai transitori.

[MarcoD]

L'analisi i frequenza dovrebbe mostrare il modulo e la fase del segnale in uscita rispetto a quello in ingresso. Il tutto senza reazione.
Si utilizza il criterio di Bode: nei casi "semplici" il guadagno in discesa all'aumento della frequenza deve attraversare l'asse a 0 dB con una fase minore di 180 gradi. Meglio una fase minore di 135 gradi, cui corrisponde una "gobba" modesta nella risposta ad anello chiuso.

p.s.; gill90, che saluto, mi ha preceduto con una risposta più dettagliata.

[MauroLombardi]

Grazie per le veloci risposte.

gill90 invertendo la fase della della sorgente oppure passando da ottave a decadi non cambia apparentemente nulla nel grafico. Inoltre ottengo una curva di fase che non comprendo, il grafico non ha l'andamento che mi aspetto.

Di seguito alcuni valori:

Frequenza 50 Hz
Guadagno 60 dB
Fase +180°

Frequenza 2.2 MHz
Guadagno 0 dB
Fase +260

Frequenza 1.36 MHz
Guadagno +19 dB
Fase 180°

Volendo posso allegare lo schema per il simulatore.

[gill90]

Ciao MarcoD!

MauroLombardi l'orientamento del + del generatore è solo per correttezza formale, indica il verso di percorrenza del loop; a livello di simulazione credo che sia semplicemente come fare i conti con un segnale di -1 invece che di +1, ma il rapporto non cambia. L'oct serve a dividere il range in potenze di 8 invece che potenze di 10, se fai tanti punti anche qui è corretto che non cambi molto, ma nel dubbio ti consiglio di usare sempre le decadi.

Mi sa che è meglio se posti sia il grafico del risultato che dello schematico.

[gvee]

Uno schema vale più di mille parole.

[MauroLombardi]

Buongiorno, rieccomi qui e sempre grazie a tutti per il tempo che mi state dedicando.
Di seguito lo schema, il grafico e i link per scaricare sia il file per LTspice che un file di testo per i modelli dei transistor che sto utilizzando.

Schema
Modelli

EDIT: gvee ecco lo schema, confido anche nel tuo aiuto. Grazie in anticipo.

[gill90]

Usi degli ZTX214 come coppia differenziale di ingresso, ma questi hanno un rating di tensione collettore-emettitore massima di -30V, contro i tuoi -50V di alimentazione negativa.

Prima di andare avanti ulteriormente nelle analisi, dove hai trovato questo schema?

EDIT: per i messaggi futuri allega direttamente le foto e i file alla risposta utilizzando l'apposito form, non utilizzare siti di hosting esterni.

[MauroLombardi]

Usi degli ZTX214 come coppia differenziale di ingresso, ma questi hanno un rating di tensione collettore-emettitore massima di -30V, contro i tuoi -50V di alimentazione negativa.

E' vero, non ci avevo fatto caso. In realtà vorrei utilizzare il modello ZTX212, poi nel simulatore ho trovato il modello ZTX214 e con un rapido sguardo non ho fatto caso alla differenza di tensione.
Comunque il problema non è quello, ho fatto adesso la prova ad alimentare a 30V duali, il grafico della fase è rimasto identico. Come vedi non passa mai per lo zero e mi pare impossibile.

Prima di andare avanti ulteriormente nelle analisi, dove hai trovato questo schema?

L'ho trovato nell' hard disk di un amico deceduto che si dilettava più o meno come me, incuriosito me lo sto studiando. Non c'erano indicazioni riguardanti i transitor, quindi li ho scelti io tra quelli di cui dispongo fisicamente.

EDIT: per i messaggi futuri allega direttamente le foto e i file alla risposta utilizzando l'apposito form, non utilizzare siti di hosting esterni.

Va bene, lo farò.

[gill90]

Controlla sempre la tensione massima di operazione, magari fai una simulazione in DC per vedere che le polarizzazioni siano tutte rispettate.
Gli ZTX212 hanno un rating di -50V: sei troppo al limite, scegli transistor che abbiano almeno -80V.

Tornando al tuo grafico, c'è qualcosa che non va nel punto attorno al MHz in cui il guadagno scende (ci sono dei poli) ma la tua fase sale (e invece dovrebbe scendere). Potrebbe essere indice del fatto che il sistema presenta dei poli destri e sia quindi instabile, oppure che il simulatore faccia dei casini mentre calcola la risposta (anche a me è successo in passato).
Quello che non è buono è che questo comportamento si presenti nella banda utile (prima del taglio a 0dB), quindi sicuramente (supponendo che la fase scenda invece che salire) ti ritrovi con un sistema instabile.
D'altro canto la frequenza di attraversamento è un po' troppo alta e non vedo nessun tipo di compensazione nell'opamp: mettici due capacità tra base e collettore di Q503 e Q504 in modo da allontanare i poli e stabilizzarlo.
Io ho messo 100pF e ho ottenuto questo (in rosso, rispetto al giallo che è il precedente non compensato): c'è ancora l'effetto strano di aumento della fase, ma ora avviene dopo l'attraversamento e non dà praticamente contributo (cambia la fase di qualche grado).

Di solito il valore è intorno al nF o meno, puoi provare un po' "a naso" finché trovi un risultato accettabile: considera che più grande è la capacità, più riduci la banda e aumenti il margine di fase; viceversa, se è piccola, aumenti la banda a discapito del margine di fase.

In ogni caso, le misurazioni in AC spesso danno degli artefatti: fai sempre dei transient per vedere più pragmaticamente come reagisce il sistema: se fai una prova con 20kHz ti accorgi fin da subito se è stabile o no.