Jakie są czynniki ograniczające te wzmacniacze operacyjne?

Zaprojektowałem filtr pasmowy wielokrotnego sprzężenia zwrotnego

input voltage = 100kHz sine wave, 80mV amplitude
gain = 2 AV,  
center frequency = 100kHz 
pass-band = 10kHz
output voltage => centered around +2.5V
supply voltage => +5V

Ograniczenia konstrukcyjne polegają na tym, że muszę używać wzmacniacza operacyjnego z pojedynczym zasilaniem .

Obliczenia zostały pobrane ze wzmacniaczy operacyjnych dla wszystkich , a pożądany wynik uzyskałem dzięki dwóm opampom : OP27 i OP355NA

Punkty do odnotowania:

• Wypróbowałem wiele wzmacniaczy operacyjnych JFET wymienionych poniżej
• Zastosowano idealny wzmacniacz operacyjny do sprawdzenia poprawności obliczeń

Poniższy obwód został skonstruowany i przetestowany zarówno na oprogramowaniu Proteus, jak i LTSpice. Oba przyniosły takie same wyniki, jakich oczekiwano.

Projekt obwodu :

Analiza analogowa (zysk 2, wyśrodkowany wokół 2,5 V)

Pasmo przenoszenia (Center Fre przy 100 kHz)

Problem polega na tym, że części te są montowane powierzchniowo (OP355NA) lub bardzo drogie (OP27). Nie stać mnie na zapłacenie więcej niż 20 dolarów za wzmacniacz operacyjny.

Są to wzmacniacze operacyjne z pojedynczą szyną, które mam do dyspozycji i żaden z nich nie działa zgodnie z oczekiwaniami!

• Tl 081
• Tl 082
• Tl 071
• Tl 074
• LM 358
• LM 324

Będę używał TL071 i TL074 do symulacji od teraz.

Wszystkie wzmacniacze operacyjne dają bardzo podobny wynik, następująca moc wyjściowa pochodzi z TL071 , przetestowanego zarówno na Proteusie, jak i LTSpice. Tutaj prezentuję wersję LTSpice.

Analiza analogowa

(Zmniejszone napięcie pp)

Pasmo przenoszenia

(Częstotliwość środkowa przesunięta w lewo)

Jak widać, wzmocnienie jest nieprawidłowe, a częstotliwość środkowa jest przesunięta w lewo. To był powtarzający się temat dla WSZYSTKICH wzmacniaczy operacyjnych, które mam dostępne.

Wiem, że wymienione powyżej wzmacniacze operacyjne są różne, ale wszystkie powinny być w stanie zapewnić napięcie wyjściowe między szczytem a napięciem szczytowym 1 V przy 100 kHz. Poniższe wykresy charakterystyczne dotyczą TL071 i TL074, z których oba dają tę samą niepoprawną odpowiedź .

Pasmo wzmocnienia użytecznego wynosi 3 MHz.

Z pewnością brakuje mi ważnej specyfikacji, której nie biorę pod uwagę, ale wydaje mi się bardzo dziwne, że żaden z powyższych wzmacniaczy operacyjnych nie działa poprawnie dla mojego bieżącego zadania.

1. Dlaczego mogę uzyskać prawidłowe wyniki z OP27 (GBW = 8 MHz), a nie z Tl074 lub Tl 081 ?

EDYTOWAĆ:

Dzięki pomocnym komentarzom i odpowiedziom wygląda na to, że nie doceniłem moich wymagań dotyczących obwodu - głównie tłumienia od współczynnika rezystancji wejściowej (40dB)

Wygląda na to, że próbujesz uzyskać Q na poziomie około 20-40, tylko patrząc na niego, więc GBW będzie musiała być znacznie wyższa niż częstotliwość środkowa, a najlepiej 5-10x, a więc bardziej jak 10-40 MHz .

1. Dlaczego mam Q około 20-40? W moim przypadku Q nie jest (częstotliwość środkowa / BW) lub 100k / 10k (= 10).
2. Ponadto, dlaczego moja GBW powinna wynosić około 5-10x częstotliwości środkowej? Czy są jakieś obliczenia, do których należy się odwoływać lub coś w tym rodzaju?

Wygląda na to, że próbujesz uzyskać Q na poziomie około 20-40, tylko patrząc na niego, więc GBW będzie musiała być znacznie wyższa niż częstotliwość środkowa, a najlepiej 5-10x, a więc bardziej jak 10-40 MHz .

„Tłumienie”, o którym mówią inni, to stosunek rezystorów, którego potrzebujesz, aby uzyskać tak wysokie Q, więc nie sądzę, że możesz tego uniknąć.

Zgadzam się z Timem; nie tłumić niepotrzebnie sygnału wejściowego.

Zatem jedynym wyborem jest coś o większym wzmocnieniu przy częstotliwości około 100 kHz.

Na szczęście wszystkie testowane opampy mają dość małą przepustowość (niektóre z nich mają ponad 40 lat). Przy alternatywnych produktach z pasmem wzmocnienia 10 MHz prawdopodobnie powinno być całkiem dobrze:

Np. TL972 powinien być odpowiedni dla tej aplikacji i może być dostępny za (bezpłatną wysyłkę) 0,67 USD za sztukę u renomowanych dystrybutorów. Ale to nie jest wejście JFET - podejrzewam, że tak naprawdę nie obchodzi cię, dopóki prąd wejściowy jest wystarczająco niski.

Rrz0 .... pozwól, że odpowiem na dwa ostatnie pytania:

(1) Jeśli iloczyn pasma wzmocnienia nie jest wystarczająco duży, nastąpi dodatkowe przesunięcie fazowe (spowodowane opampem). Typowy efekt: Niepożądane wzmocnienie Q. Dodatkowe przesunięcie fazowe zmniejsza margines fazowy i przesunie biegun dalej do wyobrażonej osi - co powiększa biegun-Q (identyczny jak pasmo-Q).

(2) Gdy GBW wynosi 10 MHz, wzmocnienie w otwartej pętli przy 100 kHz będzie wynosić ok. 40 dB (100). To nie wystarcza. Jednak wszystkie obliczenia oparte są na opampie IDEAL bez niepożądanego przesunięcia fazowego, patrz mój komentarz powyżej w punkcie (1). Nawet dodatkowe przesunięcie fazowe o 5 ° spowoduje poważne zwiększenie Q.

(3) Należy pamiętać, że wybrana topologia filtra jest bardzo wrażliwa na nieidealne dane opampa (ponieważ opiera się na wzmocnieniu w otwartej pętli). Istnieją inne struktury filtrów (oparte na kluczu Sallen lub GIC), które są mniej wrażliwe na nieidealne parametry opampa.

(4) Warto wspomnieć, że NIE będziesz musiał używać tak zwanych opampów „single-supply”. Wszystkie opampy mogą być zasilane tylko jednym napięciem zasilającym. Najważniejsze dane: GBW (tak duży, jak to możliwe) i wystarczająca szybkość narastania (praca z dużym sygnałem).

EDYCJA / AKTUALIZACJA

Poniższy artykuł zawiera matematyczne podejście do wpływu wzmocnienia w pętli skończonej i częstotliwości na obwód pasmowy MFB.

https://www.researchgate.net/publication/281437214_INVERTING_BAND-PASS_FILTER_WITH_REAL_OPERATIONAL_AMPLIFIER

Wynik : Współczynnik 100 między GBW a projektową częstotliwością szczytową prowadzi do odchylenia częstotliwości wynoszącego około. 15% ( korekta z 85 do 15%)

Oto wcześniejsze omówienie filtrów pasmowoprzepustowych. Odpowiedź za pomocą narzędzia Signal Chain Explorer przedstawia efekty różnych wzmacniaczy przepustowości Unity Gain Bandwidth.

Symulowanie i budowanie filtru pasmowo-przepustowego z wieloma sprzężeniami zwrotnymi

Dostałem kilka doskonałych komentarzy i odpowiedzi na moje pytanie, jednak chciałbym dodać to, co udało mi się zrozumieć z różnych odpowiedzi i kilku podręczników w jednej odpowiedzi. Poniższe informacje pomogły mi rozwiązać moje bieżące problemy.

$Q$$A_v$$f_m$ niezależnie od siebie.

$A_v= -2Q^2$$Q = 10$$200$$A_v$$Q$ .

$100$

Ponadto, dlaczego moja GBW powinna wynosić około 5-10x częstotliwości środkowej? Czy są jakieś obliczenia, do których należy się odwoływać lub coś w tym rodzaju?

Zwykle współczynnik bezpieczeństwa (sf) wynosi od 5 do 10, aby utrzymać wysoką stabilność i niskie zniekształcenia.

Aby obliczyć GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Dlatego GBW powinien mieścić się w zakresie 50-100 MHz.

Tego typu filtrów nie można używać do pracy z wysoką częstotliwością i wysoką częstotliwością, ponieważ standardowe wzmacniacze operacyjne wkrótce „kończą się”. Pomijając tę ​​trudność, wysokie zyski uzyskane nawet przy umiarkowanych wartościach Q mogą być niepraktyczne. Dlatego musimy osłabić sygnał wejściowy.

$A_v=-2$$Q=10$ , potrzebujemy tłumika wejściowego. Takie tłumienie dotyczyły innych odpowiedzi.

Aby to nadrobić, tłumimy współczynnikiem rezystora 100 (R7 / R5).

Z pewnością brakuje mi ważnej specyfikacji, której nie biorę pod uwagę, ale wydaje mi się bardzo dziwne, że żaden z powyższych wzmacniaczy operacyjnych nie działa poprawnie dla mojego bieżącego zadania.

$40dB$$6dB$ uwzględniały początkowego tłumienia 40dB.

Jak zauważył Markus Müller, korzystałem ze starożytnych wzmacniaczy operacyjnych. Istnieje znacznie lepsza alternatywa, na przykład TL972 .

Jak wspomina @LvW, gdy szerokość pasma wzmocnienia nie jest wystarczająco duża, odpowiedź częstotliwościowa ulega przesunięciu fazowemu. Prawidłowo wspomniany jest również fakt, że „wybrana topologia filtra jest bardzo wrażliwa na nieidealne dane opampa (ponieważ jest oparta na wzmocnieniu w otwartej pętli)”.

Tutaj zapewniam fragment Opamps dla każdego .

$100$$100$