¿Por qué la caída del voltaje de saturación del amplificador operacional a medida que aumenta la frecuencia?

  

Me di cuenta de que cuando elegí diferentes valores de Resistor y   Condensador para diferentes frecuencias, con frecuencia creciente el   la amplitud de la onda cuadrada disminuye

Lo hará porque un valor más bajo de "R" carga más la salida del amplificador operacional y aumenta su voltaje de saturación. Recuerde que la resistencia de entrada del integrador alimenta una tierra virtual para que actúe como una resistencia de carga a tierra en la salida del comparador.

  

y amplitud de la onda triangular aumenta

A medida que aumenta la frecuencia operativa, el tiempo que tarda el conmutador en conmutarse se vuelve más dominante en el período de la frecuencia de la señal que se genera. Este "tiempo adicional" permite que la onda triangular (formada por el integrador) aumente a valores pico ligeramente más altos.

Cuando se utiliza un amplificador operacional como un comparador, los transistores de salida ingresan en la saturación y pueden tardar varios microsegundos en recuperarse de la saturación.

No creo que las otras dos respuestas entiendan lo que está sucediendo en este circuito; todo el punto es que la amplitud del triángulo p-p está dictada por la histéresis del comparador; teóricamente, con amplificadores operacionales perfectos, la amplitud p-p de la onda triangular es constante.

Su amplificador de operación a la izquierda con sus componentes RC es un filtro de paso bajo activo, ese es su propósito, si lo piensa.

Así que matemáticamente es un "integrador". Y esa es la razón principal por la que la amplitud de los triángulos disminuye con el período de tiempo más corto (= mayor frecuencia). Cuando integras una constante (entrada alta) durante un tiempo prolongado, tu integral tendrá un valor más alto que cuando integras la misma constante durante un breve periodo de tiempo.

Además de eso, los amplificadores del mundo real también tienen anchos de banda finitos, y la ganancia de los circuitos semiconductores dentro de un opamp disminuye con la frecuencia, y en algún punto la idea de que un opamp tiene "ganancia muy muy alta" simplemente se descompone . Sin embargo, en su lindo 45 kHz, probablemente esa no sea la situación aquí, a menos que esté usando algo extremadamente lento (y entonces, probablemente lo sepa, ese opamp habría sido etiquetado como "solo para aplicaciones de audio" o "vintage" "o así).

La forma de onda del triángulo y la amplitud de la onda cuadrada idealmente (como en el uso de un amplificador operacional / comparador ideal) no no variarán con la frecuencia, serían constantes para un voltaje de suministro dado.

Esto se debe a que la amplitud de ambos está determinada por el voltaje de saturación de salida del amplificador operacional de la derecha (usado como un comparador), que (idealmente) depende solo del voltaje de suministro (una vez que llega).

Para decirlo de manera sucinta, el op-amp de la mano izquierda es responsable de la frecuencia, y el op-amp de la mano derecha de la amplitud.

El problema con una medida agregada de una forma de onda compleja es que puede que te falte algo. En este caso, creo que le falta el hecho de que la onda cuadrada no es realmente cuadrada (y, como resultado, la onda triangular no es realmente triangular).

El amplificador operacional (usado como un comparador con histéresis proporcional a la tensión de alimentación según lo determinado por la relación R1 / R2) tiene una tasa de variación finita y, por lo tanto, los bordes de la onda cuadrada son realmente rampas Así, la onda cuadrada pasa menos tiempo en los límites. De manera similar, la onda triangular se crea integrando la onda cuadrada, por lo que las pendientes de la onda triangular no serán líneas rectas, sino que se curvarán hacia arriba o hacia abajo en las pendientes ascendentes / descendentes.

Un efecto secundario es que algunos amplificadores operacionales tardan mucho tiempo en recuperarse de la saturación, por lo que la salida del amplificador operacional del comparador se retrasará una cantidad fija (más o menos) en cada borde. Sin embargo, esto tendería a hacer que la amplitud de la forma de onda del triángulo de salida aumente con la frecuencia y no afecte a la onda cuadrada, así que no creo que ese sea un factor aquí.

Editar: Andy también tiene razón en que la carga de la salida del amplificador operacional / comparador puede ser un factor. El voltaje de salida límite del amplificador operacional cambiará con la carga.

Puede evitar este problema utilizando un comparador adecuado en lugar del op-amp de la mano derecha con limitación de salida dura utilizando un par de zeners, por ejemplo, para controlar la amplitud de onda cuadrada. Pasará en nanosegundos (quizás un par de cientos para un comparador realmente lento) y su variación con la frecuencia desaparecerá (en su mayoría) hasta que se encuentre con el límite de velocidad de giro del op-amp de la izquierda en las pendientes de las ondas triangulares.

TL; DR

Es la limitación y / o carga de la velocidad de giro del amplificador operacional del comparador, lo que hace que las ondas cuadradas resulten de una forma y amplitud no fijas.

Hay varias cosas sucediendo aquí.

Primero, la amplitud de la onda triangular es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda cuadrada de la que se deriva. Esto se debe a que el generador de onda triangular es un integrador. La integral de un nivel fijo es una pendiente fija. Cuanto más tiempo se mantenga ese nivel, más continuará la pendiente y, por lo tanto, mayor será su amplitud de extremo a extremo.

El segundo efecto es menos predecible debido a cómo el segundo umbral óptico detecta la onda triangular. Si todos los componentes fueran ideales, la segunda opamp se voltearía inmediatamente en cada cruce por cero de la onda triangular. Eso detendría ese medio triángulo y lo revertiría. Eso causaría inmediatamente el cruce por cero opuesto, lo que volvería a girar la pendiente del triángulo, lo que causaría otro cruce por cero, etc. El resultado sería una frecuencia infinita con componentes ideales.

Por lo tanto, la frecuencia que obtiene depende de la naturaleza no ideal de los componentes, que no se especificará. El retardo de propagación, el tiempo de subida, la capacitancia parásita y, en particular, la velocidad de giro del segundo opamap son importantes. Básicamente, este es un mal circuito si estás buscando una frecuencia predecible.

La forma de solucionar esto es agregar un poco de histéresis a la segunda operación. Luego, incluso con las partes ideales, la onda cuadrada se desplazará a los umbrales conocidos de la forma del triángulo. La frecuencia es entonces determinista, siempre y cuando no esté superando los límites de lo que pueden hacer las partes.