Menentukan Loop Gain dan Fase Margin
[diterjemahkan dari web ini]
| Stabilitas Rangkaian Apakah yang dimaksud dengan stabilitas? Bagaimanakah rangkaian yang disebut stabil? Suatu rangkaian dianggap tidak stabil jika secara spontan mulai berosilasi walaupun tanpa adanya input, hanya ada noise, yaitu dengan memperkuat noise berkali lipat. LIhat lah pada rangkaian berikut : |
 |
| Jika Anda menjalankan rangkaian di atas dengan pilihan transient analysis pada perangkat lunak simulasi, maka rangkaian di atas akan menghasilkan plot sebagai berikut. |
 |
| Dalam rangkaian ini, masukannya berupa gelombang sinus teredam sebesar 1 Volt yang diprogram untuk mensimulasikan noisy spike. Ketika nilai kapasitor CC sebesar 40pF, Rangkaian dalam keadaan stabil seperti dapat dilihat dari osilasi yang dihasilkan, di sini terlihat pada keluarannya berupa gelombang osilasi yang teredam alias rangkaian ini berosilasi atau menjadi osilator, atau kita sebut rangkaian penghasil sinar.Apa yang terjadi ketika kita merubah CC?. Jika nilai CC berubah dari 40pf menjadi 80 pf, hasilnya akan jauh berbeda. Seperti terlihat pada Gambar 3, kini menghasilkan keluaran berupa gelombang osilasi tak teredam, amplitudonya naik terus sampai tak terhingga. (contohnya kejadian feedback ketika speaker kita dekatkan ke mikrophon) |
 |
| Ini adalah salah satu cara untuk menguji stabilitas rangkaian. Cara lain adalah dengan memeriksa loop gain dan menggunakan phase margin test.Loop gain Mengetahui loop gain suatu sistem umpan balik kalang tertutup penting untuk memahami sifat stabilitas nya. Sangat mudah untuk menentukan loop gain kalang terbuka nya. Anda hanya perlu menempatkan catu daya AC pada masukan dan mengukur nilai sinyal pada keluaran. Tapi bagaimana dengan loop gain kalang tertutup? Bagaimana Anda mendapatkannya? Pertama, sedikit me-review rangkaian di bawah ini.Rangkaian umpan balik di bawah ini menghasilkan loop gain A * b.
|
 |
| Syarat Stabilitas Stabilitas mensyaratkan bahwa sudut fase loop gain harus lebih besar dari -180 derajat ketika gain loop nya bernilai 1,0 (Ingat Barkhausen Kriteria pada Osilator).Phase Margin (PM) adalah besarnya sudut fase pada -180 derajat atau lebih, ketika gain loop bernilai 1,0Phase margin (PM) = Phase Angle (PA) – (-180) = Phase Angle + 180. PM mengukur stabilitas rangkaian, atau dengan kata lain, dalam hal kerentanan nya terhadap osilasi. Jika PM, katakanlah 10 derajat, maka rangkaian tidak akan berosilasi dan setiap derau pada input akan menghasilkan, paling hanya, osilasi teredam. Jika PM tepat 0 derajat, rangkaian akan berosilasi pada amplitudo yang tetap. Jika, misalnya, -10 derajat, rangkaian akan masuk ke osilasi takteredam sampai amplitudo tak berhingga, hanya terbatasi dengan besarnya catu daya. Secara umum perancang berusaha untuk mencapai hal berikut ini. Aturan fasa Ketika peralatan makin tua umurnya, maka nilai komponen akan bervariasi, sehingga mungkin bisa mengubah rangkaian menjadi tidak stabil. Perhitungan PM yang tepat mengamankan peralatan dari keadaan tersebut. Breaking the loop: Loop Gain = -1 / (1/Toc +1 / TSC) Toc = perolehan tegangan rangkaian terbuka = V (VOC) / 1 = V (VOC) TSC = perolehan arus pendek = 1 / I (VSC) / 1 = 1 / I (VSC) Yang kita perlu lakukan adalah mengukur Toc dan TSC dan menentukan fungsi Loop Gain.Sebagaimana rangkaian berikut ini
|
 |
| menggunakan dua salinan dari tiga tahap rangkaian umpan balik Gambar 1. Satu salinan digunakan untuk mengukur Toc, loop gain tegangan dan mengukur rangkaian kedua TSC, sirkuit pendek gain. LOOPGAIN variabel simbolis mewujudkan gain loop formula dan menyediakan plot variabel yang nyaman.Ini adalah prosedur umum untuk pengujian gain loop pada sirkuit yang sewenang-wenang:1) Mengatur besarnya AC semua sumber-sumber asli ke 0. Salin rangkaian yang akan diuji (DUT) ke clipboard. (CTRL + A kemudian CTRL + C).
2) Membuat sirkuit baru dan menyisipkan dua salinan DUT (CTRL + V) dari clipboard ke sirkuit baru. Copy pertama untuk mengukur Toc dan yang kedua adalah untuk mengukur salinan TSC. 3) Break loop pertama menyalin dan menyisipkan loop AC besar melanggar induktor (L1) dan kapasitor besar (C4) bahwa AC ‘celana dalam’ VAC 1.0 tes input source (V2). Tambahkan label teks Voc titik di mana tegangan rangkaian terbuka akan diukur. 4) Break loop kedua menyalin dan menyisipkan loop AC besar melanggar induktor (L2) dan kapasitor besar (C8) bahwa AC ‘celana dalam “0,0 VAC sumber mengukur arus keluaran (VSC). Tambahkan 1 Amp AC input sumber arus (I1). 5) Tambahkan define LOOPGAIN teks pernyataan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. 6) Jalankan AC dan plot dB (LOOPGAIN) di plot 1 dan PH (LOOPGAIN) di plot 2. 7) Ketika menjalankan selesai, memohon Y GoTo perintah (SHIFT + CTRL + Y), ketik Nilai 0 dalam kotak. Klik pada tombol Kiri, kemudian pada tombol Tutup. Kiri kursor akan diposisikan pada titik 0 dB gain kurva dan pada frekuensi yang sesuai titik pada kurva fase. 8) Baca fase dalam “PH (LOOPGAIN)” plot sebagai -178,37 derajat. Rangkaian nyaris tidak stabil dengan kurang dari 2 derajat margin keselamatan. |
 |
| Apa yang terjadi ketika kita meningkatkan CC sampai 80 pF? Berikut adalah apa yang plot seperti ini: |
 |
| Margin fasa -1,55 derajat sehingga rangkaian tidak stabil. Dengan bereksperimen dengan nilai CC Anda dapat menentukan bahwa sebenarnya crossover dari stabilitas ketidakstabilan dalam rangkaian ini terjadi ketika CC adalah antara 60pF dan 61 pF.Tips: Di mana Anda memutuskan loop? Dalam rangkaian ini memang masalah banyak, tapi secara umum loop harus dipecah sedemikian rupa sehingga V (VOC) pengukuran dapat dilakukan di mana rangkaian memiliki impedansi keluaran yang rendah.The Sine dan sumber-sumber Pengguna Pulse dan semua memiliki AC tetap besar dari 1.0, sehingga Anda tidak dapat menggunakan mereka di input biasa karena besaran AC mereka tidak dapat diset ke 0. Gunakan SPICE V sumber seperti yang telah kita lakukan dalam contoh ini. Dalam banyak sirkuit, sirkuit pendek gain arus, TSC, akan menjadi sangat besar ketika input impedansi sangat besar. Jika dikenal sangat besar, seperti dalam contoh ini, mungkin 1/Tsc kecil dibandingkan dengan 1/Toc. Jika demikian, Anda dapat melewatkan rangkaian uji TSC sepenuhnya. Kemudian Anda akan mengubah pernyataan simbolis LOOPGAIN untuk mencerminkan nilai nol TSC sebagai berikut: . MENDEFINISIKAN LOOPGAIN-V (VOC) Jangan gunakan terlalu besar nilai bagi BESAR induktor dan kapasitor. Jika terlalu kecil, itu mengubah frekuensi rendah gain loop plot. Ini adalah sebagian besar masalah estetis sebagai pengukuran fasa dibuat pada frekuensi yang lebih tinggi. Jika HUGE terlalu besar dapat menimbulkan masalah numerik dalam matriks pemecah. Nilai 1E2 untuk 1E4 bekerja dengan baik. Nilai 1E9 (disarankan dalam satu referensi) akan menyebabkan masalah numerik dengan kebanyakan analog simulator. Sedra contoh |
 |
| Dan di sini adalah plot dari gain loop dan fase. |
 |
| Rangkaian ini hanya memiliki satu tahap pembalik sehingga dengan pergeseran fasa dengan aman dalam persyaratan stabilitas. Its langkah fasa sekitar 89 derajat. |