Каковы ограничивающие факторы этих операционных усилителей?

8

Я разработал полосовой фильтр с множественной обратной связью

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

Конструктивные ограничения заключаются в том, что я должен использовать операционный усилитель с одним источником питания .

Расчеты были сняты с операционных усилителей для всех , и я получил желаемый результат с двумя операционными усилителями : OP27 и OP355NA

Указывает на Примечание:

Пробовал несколько операционных усилителей JFET, как указано ниже
Использовал идеальный операционный усилитель для проверки правильности расчетов

Приведенная ниже схема была сконструирована и протестирована на программном обеспечении Proteus и LTSpice. Оба дали одинаковые результаты, которые ожидались.

Схемотехника :

Аналоговый анализ (усиление 2, около 2,5 В)

Частотный отклик (Center Fre при 100 кГц)

Проблема заключается в том, что эти детали либо устанавливаются на поверхности (OP355NA), либо очень дороги (OP27). Я не могу позволить себе заплатить более 20 долларов за операционный усилитель.

Это операционные усилители с одним рельсом, которые я имею в своем распоряжении, и ни один из них не работает должным образом!

Я буду использовать TL071 и TL074 для симуляции с этого момента.

Все операционные усилители выводят очень похожий результат, следующий вывод взят из TL071 , протестированного как на Proteus, так и на LTSpice. Здесь я представляю версию LTSpice.

Аналоговый анализ

(Пониженное напряжение пп)

Частотный отклик

(Центральная частота смещена влево)

Как видно, усиление некорректно и центральная частота смещена влево. Это была повторяющаяся тема для ВСЕХ операционных усилителей, которые у меня есть.

Я знаю, что перечисленные выше операционные усилители отличаются друг от друга, но все они должны обеспечивать выходной пик до пикового напряжения 1 В при 100 кГц. Следующие характеристические графики относятся к TL071 и TL074, оба из которых дают одинаковый неверный ответ .

Полоса пропускания служебного усиления составляет 3 МГц.

Конечно, мне не хватает какой-то важной спецификации, которую я не принимаю во внимание, но мне очень странно, что ни один из вышеперечисленных операционных усилителей не работает должным образом для моей текущей задачи.

Почему я могу добиться правильных результатов с OP27 (GBW = 8 МГц), а не с Tl074 или Tl 081 ?

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Благодаря полезным комментариям и ответам похоже, что я недооценил свои требования к цепи - в основном, ослабление от отношения входного сопротивления (40 дБ)

Похоже, вы пытаетесь получить Q около 20-40, просто взглянув на него, поэтому полоса пропускания должна быть намного выше, чем центральная частота, и, предпочтительно, в 5-10 раз больше, чем 10-40 МГц. ,

Почему у меня Q около 20-40? Разве не Q (центральная частота / BW) или 100k / 10k (= 10) в моем случае.
Кроме того, почему мой GBW должен быть примерно в 5-10 раз больше центральной частоты? Есть ли какие-либо вычисления, на которые нужно ссылаться или что-то в этом роде?

— rrz0
источник

Ω

$\Omega$

2

Техническое описание TL071 буквально начинается с «SLOS080N - СЕНТЯБРЬ 1978 - ПЕРЕСМОТРЕННЫЙ ИЮЛЬ 2017»; итак, сейчас 40 лет :)

— Маркус Мюллер

1

TL08xx: «SLOS081I - ФЕВРАЛЬ 1977 - ПЕРЕСМОТРЕННЫЙ МАЙ 2015», так что ему почти 42 года.

— Маркус Мюллер

3

(о, и на личном примечании: пакеты SMD, такие как SOIC, на самом деле не так уж и сложны в пайке; попробуйте. Вам понравится.)

— Marcus Müller

1

браханы .... ну и что? Вы действительно думаете, что их нельзя использовать для приложений с одним источником питания?

— LvW

5

Похоже, вы пытаетесь получить Q около 20-40, просто взглянув на него, поэтому полоса пропускания должна быть намного выше, чем центральная частота, и, предпочтительно, в 5-10 раз больше, чем 10-40 МГц. ,

«Затухание», о котором говорят другие, - это отношение резисторов, которое необходимо для достижения такого высокого Q, поэтому я не думаю, что вы можете избежать этого.

— Спехро Пефхани
источник

1

да, это то, что я имел в виду. Спасибо. Люди не понимают, насколько трудно заставить слова выйти из моего мышления: D И да, этот источник с высоким импедансом был красной сельдью, если не совсем не прав. Удалит.

— Маркус Мюллер

Дангит, ты прав, и мой ответ был совершенно неверным. Я только что удалил это.

— Тим Уэскотт

1

@Spehro Pefhany спасибо за ваш ответ. Как вы пришли к выводу, что я пытаюсь получить Q около 20-40? Не Q ли (центральная частота / BW) или 100k / 10k в моем случае. Кроме того, как вы получаете GBW, который в 5-10 раз больше центральной частоты? Есть ли какие-либо вычисления, на которые нужно ссылаться или что-то в этом роде?

— rrz0

1

@TimWescott, он заключил, что я хотел Q около 20-40, нет? Кроме того, именно поэтому я спрашиваю. Как может тот, кто не делал этого вечно, прийти к такому же выводу?

— rrz0

1

Если нет, глядя на схему, вы найдете Q, посмотрев на частотную характеристику. Когда вы делаете это вечно, вы просто смотрите. Если вы не делали это вечно, вы ставите галочки (реальные или виртуальные) на отклик 3dB вниз от пика, затем измеряете (или наблюдаете) частотный диапазон между ними. (Центральная частота) / (полоса пропускания 3 дБ) более или менее равна Q.

— TimWescott

2

Я согласен с Тимом; не слишком сильно ослабляйте входной сигнал.

Тогда ваш единственный выбор - это что-то с большим усилением на частоте около 100 кГц.

К счастью, все протестированные вами операционные усилители имеют довольно низкую пропускную способность (некоторым из них более 40 лет). С альтернативами продукта с полосой пропускания 10 МГц у вас, вероятно, все будет в порядке:

Например, TL972 должен быть в порядке для этого приложения и может иметься (бесплатная доставка) по $ 0,67 за штуку у известных дистрибьюторов. Но это не вход JFET - я подозреваю, что вам все равно, если входной ток достаточно низок.

— Маркус Мюллер
источник

1

Rrz0 .... позвольте мне ответить на два ваших последних вопроса:

(1) Если коэффициент усиления полосы пропускания недостаточно велик, у вас будет дополнительный (вызванный операционным усилителем) сдвиг фазы. Типичный эффект: нежелательное Q-улучшение. Дополнительный сдвиг фазы уменьшает запас по фазе и смещает полюс дальше к воображаемой оси - что увеличивает полюс-Q (идентично полосе пропускания-Q).

(2) Когда полоса пропускания составляет 10 МГц, коэффициент усиления без обратной связи при частоте 100 кГц будет равен приблизительно. 40 дБ (100). Этого недостаточно. Однако все расчеты основаны на операционном усилителе IDEAL без какого-либо нежелательного фазового сдвига, см. Мой комментарий выше в (1). Даже дополнительный сдвиг фаз на 5 град. вызовет серьезное улучшение качества.

(3) Обратите внимание, что выбранная топология фильтра очень чувствительна к неидеальным данным операционного усилителя (поскольку она основана на коэффициенте усиления без обратной связи). Существуют другие структуры фильтров (Sallen-Key или GIC), которые менее чувствительны к неидеальным параметрам операционного усилителя.

(4) Стоит отметить, что вам НЕ потребуется использовать так называемые операционные усилители с одним источником питания. Все операционные усилители могут работать только с одним напряжением питания. Наиболее важные данные: GBW (максимально большой) и достаточная скорость нарастания (работа с большим сигналом).

EDIT / UPDATE

Следующая статья содержит математическую трактовку влияния конечного и частотного усиления без обратной связи на полосовую MFB-схему.

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

Результат : коэффициент 100 между GBW и проектной пиковой частотой приводит к отклонению частоты приложения. 15% ( коррекция от 85 до 15%)

— LVW
источник

спасибо за ответы на мои последние два вопроса. Извините за этот основной вопрос, но в отношении пункта 4, если я решу использовать OP27, который указан в качестве операционного усилителя "с двумя источниками питания", я все равно смогу работать с обычным источником питания 0-5 В. ? Если так, то почему он не указан как операционный усилитель с одним и двумя источниками питания?

— rrz0

Кроме того, OP27 имеет полосу пропускания всего 8 МГц, но хорошо работает при моделировании (в отличие от операционных усилителей, протестированных с большей полосой пропускания). Поэтому может быть так, что, как вы упомянули в пункте 3, у моей схемы есть и другие большие проблемы, которые связаны не с GBW, а с данными неидеального операционного усилителя

— rrz0

Потому что это базовые знания, что каждый операционный усилитель может работать с одним или двумя источниками питания. Единственная разница - это точка смещения постоянного тока. Некоторые операционные усилители спроектированы таким образом, чтобы выходная амплитуда (почти) достигала пределов шины питания и, следовательно, подходила - настолько хорошо, насколько это возможно - для работы с одним источником питания. Это единственная разница.

— LvW

Я сделал симуляцию (PSpice) вашей схемы с OP-27. Результат: 89,4 кГц.

— LvW

0

Вот предварительное обсуждение полосовых фильтров. В ответе с помощью инструмента Signal Chain Explorer представлены эффекты различных операционных усилителей Unity Gain Bandwidth.

Моделирование и построение полосового фильтра с множественной обратной связью

— analogsystemsrf
источник

3

Это было бы хорошим комментарием, но это довольно плохой ответ. Предложить преобразование в комментарий и удаление ответа. В качестве альтернативы, пожалуйста, расширьте.

— Скотт Сейдман

0

Я получил несколько отличных комментариев и ответов на мой вопрос, однако я хотел бы добавить то, что мне удалось понять, из разных ответов и нескольких учебников в одном полном ответе. Приведенная ниже информация помогла мне решить мои проблемы под рукой.

$Q$ $A_v$ $f_m$ независимо .

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

$100$

Кроме того, почему мой GBW должен быть примерно в 5-10 раз больше центральной частоты? Есть ли какие-либо вычисления, на которые нужно ссылаться или что-то в этом роде?

Как правило, коэффициент безопасности (sf) между 5 и 10 включается для поддержания высокой стабильности и низкого уровня искажений.

Чтобы рассчитать GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Поэтому полоса пропускания должна быть в диапазоне 50-100 МГц.

Нельзя использовать этот тип фильтра для высокочастотной работы с высокой добротностью, так как стандартные операционные усилители скоро «закончатся». Помимо этой трудности, высокие коэффициенты усиления, создаваемые даже умеренными значениями Q, вполне могут быть непрактичными. Поэтому мы должны ослабить входной сигнал.

$A_v=-2$ $Q=10$ , нам нужен входной аттенюатор. Это было ослабление, на которое ссылались другие ответы.

Мы уменьшаем соотношение резисторов 100 (R7 / R5), чтобы восполнить это.

Конечно, мне не хватает какой-то важной спецификации, которую я не принимаю во внимание, но мне очень странно, что ни один из вышеперечисленных операционных усилителей не работает должным образом для моей текущей задачи.

$40dB$ $6dB$

Как заметил @Markus Müller, я использовал древние операционные усилители. Есть намного лучшая альтернатива, такая как TL972 .

Как упоминает @LvW, когда ширина полосы усиления недостаточно велика, частотная характеристика испытывает фазовый сдвиг. Также правильно упоминается тот факт, что «выбранная топология фильтра очень чувствительна к неидеальным данным операционного усилителя (потому что она основана на коэффициенте усиления без обратной связи)».

Здесь я предоставляю выдержку из Opamps для всех .

$100$ $100$

— rrz0
источник

1

Rrz0_one дополнительный комментарий: Для больших значений Q хорошо известен способ использования небольшой положительной (резистивной) обратной связи в дополнение к отрицательной RC-обратной связи. Это расширение классического MFB-bandpass связано с Deliyannis. В этом случае усиление в средней полосе составляет только Am = 2 * SQRT (2) * Q - 1. В этом случае R5 удаляется.

— LvW

С одной стороны, вместо «в моем случае конденсаторы больше в 100 раз» вы имеете в виду меньше, но это нормально. Ваш ответ достаточно близок для исправления, но вы должны прочитать раздел 16.8.4, в котором рассматриваются ваши проблемы. Он предлагает минимальную полосу пропускания около 20 МГц для вашей схемы (при условии, что требуется точность 1%). И это, конечно, далеко за пределами любого операционного усилителя, на который вы смотрели.

— WhatRoughBeast

@WhatRoughBeast Да, вы правы, исправлено. Я наткнулся на этот раздел после начала разработки, а не до того, как это должно было быть. Спасибо за указатели.

— rrz0