Почему этот операционный усилитель LM324 не может воспроизводить сигнал выше определенной частоты?

Кажется, нет недостатка в схемах, подобных этой, которые пытаются использовать R2R в качестве ЦАПа и оп. усилитель. в качестве выходного буфера. Это имеет смысл для меня, поэтому я решил попробовать и построить один.

Я построил немного более простую схему

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Эта схема использует один операционный усилитель от LM324, работающий с единичным усилением. Остальные 3 в пакете остаются не подключенными. Он питается от +12 В постоянного тока на положительной шине, которая поступает от настольного источника питания.

Резисторы "4.4k" (2R) - это всего лишь два резистора по 2.2k в серии.

D1-D4 работают на Atmega328P, используя прямой цифровой синтезатор, который я написал. Я не буду много говорить об этом, но микроконтроллер работает от +5 В постоянного тока, поэтому каждая линия имеет значение 0 или 5 В постоянного тока.

R13, Q1 и R14 были просто такими, что трасса управляла какой-то реальной нагрузкой. Транзистор действует как инвертирующий усилитель.

Я изначально опустил R10 и R12. Я получил вывод, как это.

• CH1 - желтый - выход ЦАП
• CH2 - синий - выход оп. усилитель.

На этой частоте это было довольно разумно.

• CH1 - желтый - выход ЦАП
• CH2 - синий - выход оп. усилитель.

Это довольно неожиданно создает сдвинутую по фазе треугольную волну.

На данный момент я добавил R10 и R12.

• CH1 - желтый - неинвертирующий вход оп. усилитель.
• CH2 - синий - выход оп. усилитель.

Это сократило выходное напряжение пополам, но привело к более точному выходу. Эту разницу теоретически можно восполнить, используя усиление в оп. усилитель.

Однако это все еще не работает на более высоких частотах.

• CH1 - желтый - неинвертирующий вход оп. усилитель.
• CH2 - синий - выход оп. усилитель.

В этом случае он не только генерирует фазово-треугольную волну, но даже не достигает +2,5 В пост. Тока или обратно на землю.

Вот физический снимок установки:

Поскольку я использую перемычки и макеты, должен быть некоторый верхний предел практической частоты, которую может генерировать мой ЦАП. Однако ~ 60 кГц, на которые указывает мой прицел, не должно быть большой проблемой. Лист данных для LM324, кажется, предполагает, что 1 МГц является практическим верхним пределом для операции. усилитель. при достижении единства. Показанная форма выходного сигнала похожа на транзисторы внутри оп. усилитель. насыщены или похожий эффект. Я недостаточно знаю об операционных усилителях.

Могу ли я внести изменения в свою схему, чтобы получить точное воспроизведение входного сигнала на выходе ОУ от постоянного тока до 60 кГц?

Лист данных, которые я искал для LM324:

http://www.ti.com/lit/ds/snosc16d/snosc16d.pdf

Похоже, что вы сталкиваетесь с ограничениями скорости нарастания, и ваш выходной сигнал представляет собой так называемое « искажение, вызванное нарастанием» - колебание на выходе операционного усилителя ограничено скоростью нарастания, так как частота увеличивает предел для максимального выходного колебания без « Убила-индуцированные искажения » уменьшается - как правило , Op Amps Datasheet имеет « Output качания против частоты » сюжета.

Имейте взглянуть на рисунке 6 из LM324 Datasheet , и где ваш сигнал на графике в соответствии с областью захватов вы разделяемыми (см . Ниже) В идеале вы хотели бы остаться "под кривой".

Если вы хотите узнать больше о Slew Rate, ознакомьтесь с серией «Slew Rate» в разделе «Precision Labs for Op Amps» .

LM324 - старая и медленная OPA. Он имеет ограниченную «скорость нарастания», не более 0,5 В / мес, что не позволяет отслеживать большие амплитудные изменения сигнала быстрее, чем 1 МГц, как вы обнаружили это в своем собственном эксперименте.

Вы ничего не можете сделать, чтобы улучшить скорость нарастания. Вам необходимо приобрести более быстрый операционный усилитель.

Попробуйте эту таблицу вместо.
См. Таблицу 6.8 - Условия эксплуатации на стр. 7.
1-й параметр в таблице - «Скорость нарастания при усилении единицы».
Это говорит о том, как быстро может двигаться выход операционного усилителя, и для этого LM324 он равен 0,5 В / мкс - и это почти без нагрузки (1 МОм | 30 пФ).

Из ваших измерений объема видно, что вы видите около 0,2 до 0,25 В / мкс - не совсем необоснованно с нагрузкой.

Общее практическое правило заключается в том, что полная ширина полосы пропускания операционных усилителей (верхний предел) составляет около 10% или менее от частоты единичного усиления. Думаю об этом.

Усиление Unity означает, что вы достигли частоты, когда усиление в лучшем случае равно единице, при любых условиях испытаний, указанных производителем. Это тоже не полная сила выхода. Это просто означает Vout = Vin при некотором значении, намного меньшем, чем полная мощность.

Транзистор с hFE 100 при 100 кГц и размахом полного напряжения может выдавать 1 вольт на 1 пп при частоте 1 МГц при входе 1 вольт на пп. Это лучшее, что он может сделать.

Термин «выигрыш от единства» немного вводит в заблуждение, поскольку он подразумевает полезную выгоду, но на самом деле его выгода достигла своего предела. Для полной выходной мощности с заявленным усилением в качестве отправной точки принимайте 10% от единичного усиления.

Некоторые производители вводят подробные сведения с графиками зависимости усиления от частоты и нагрузки и т. Д. Прочтите эти подробности, если они есть в таблице данных, и они помогут вам понять, где можно ожидать полезного усиления на полной мощности - или нет.

Попробуйте эту транзисторную схему

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Со стандартным 10-кратным зондом Vout (13 пФ или около того) у вас будет полоса пропускания около 3 наносекунд (50 000 000 Гц). Отрегулируйте R9 для контроля базовой линии выходного напряжения.

Вы можете увеличить R3 до 220 или 330 или 430 Ом; при более высоких значениях сопротивления емкость на основе коллектора возрастет, когда Vout будет около 1,0 В, и вы увидите более медленное установление. Таким образом, возникает высокочастотное нелинейное поведение (искажение 2-й гармоники), и вы получите интермодуляцию суммы / разности. С 4 битами, я сомневаюсь, что это будет проблемой для вас. Но вы можете увеличить несколько резисторов до 6 или 8 битов и подать их с заранее настроенными сигналами суммы грехов, а затем исследовать БПФ на прицеле или анализаторе спектра.

Повышение производительности: если вы можете сместить нижнюю часть двух резисторов: R1 и R9 до -0,2 В, то ваша линейность улучшится, что, вероятно, обнаруживается для больших # бит. Обратите внимание, что загрузка в строках логического входа не согласована, и это также приводит к нелинейности.

Использование дифференциального управления током, возможно с биполярными источниками тока и диодными переключателями, используемыми для управления, уменьшает нелинейность. В какой-то момент вы дорого построили DAC08 от Precision Monolithics Corp, но с полосой пропускания от 20 до 50 МГц. Изучите эту таблицу.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/dac0800.pdf