¿Cuáles son los factores limitantes de estos amplificadores operacionales?

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Diseñé un filtro de paso de banda de comentarios múltiples 

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

Las restricciones de diseño son que debo usar un amplificador operacional de suministro único .

Se retiraron los cálculos Op-Amps For Everyone , y obtuve el resultado deseado con dos opamps: OP27 y OP355NA

Puntos a tener en cuenta:

  • Intenté varios amplificadores operacionales JFET como se indica a continuación
  • usé un amplificador operacional ideal para verificar que los cálculos son correctos

El circuito a continuación se construyó y probó tanto en el software Proteus como en el software LTSpice. Ambos dieron los mismos resultados, que se esperaban.

Diseño de circuitos :

Análisisanalógico(Gananciade2,centradaalrededorde2.5V)

Respuestadefrecuencia(frecuenciacentrala100kHz)

Elproblemaesqueestaspiezassondemontajesuperficial(OP355NA)omuycaras(OP27).I no puedo permitirme pagar más de 20 dólares por un amplificador operacional.

Estos son los amplificadores operacionales de un solo riel que tengo disponibles y ninguno de ellos funciona como se esperaba.

Estaré usando TL071 y TL074 para simular desde ahora uno.

Todos los amplificadores operacionales emiten un resultado muy similar, la siguiente salida es de TL071 , probada tanto en Proteus como en LTSpice. Aquí presento la versión LTSpice.

Análisis analógico

(Tensióndisminuidapp)

Respuestadefrecuencia

(Lafrecuenciacentralsedesplazahacialaizquierda)

Comopuedeverse,lagananciaesincorrectaylafrecuenciacentralsedesplazahacialaizquierda.EstefueuntemarecurrenteparalosTODOSamplificadoresoperacionalesquetengodisponibles.

Séquelosamplificadoresoperacionalesmencionadosanteriormentesontodosdiferentes,perotodosdeberíanpoderproporcionarunasalidapicoapicodevoltajede1Va100kHz.LossiguientesgráficosdecaracterísticassonparaelTL071yTL074,loscualesdanlamismarespuestaincorrecta.

Elanchodebandadegananciadelautilidades3MHz.

Seguramentemefaltanalgunasespecificacionesimportantes,quenoestoyteniendoencuenta,peromeparecemuyextrañoqueningunodelosamplificadoresoperacionalesanterioresfuncionecorrectamenteparamitareaactual.

  1. ¿Porquépuedolograrresultadoscorrectoscon OP27 (GBW = 8MHz) y no con Tl074 o Tl 081 ?

EDIT:

Gracias a los útiles comentarios y respuestas, parece que subestimé los requisitos de mi circuito: principalmente la atenuación de la relación de resistencia de entrada (40dB)

  

Parece que estás tratando de obtener una Q de alrededor de 20-40, simplemente observándola, así que el GBW tendrá que ser mucho más alto que la frecuencia central, y preferiblemente 5-10 veces, más parecido 10-40MHz.

  1. ¿Por qué tengo una Q de alrededor de 20-40? ¿No es Q la (frecuencia central / BW)? o 100k / 10k (= 10) en mi caso.
  2. Además, ¿por qué mi GBW debe ser de 5 a 10 veces la frecuencia central? Son ¿Hay algún cálculo al que deba referirse o algo por el estilo?
pregunta Rrz0

5 respuestas

1

Recibí algunos comentarios y respuestas excelentes a mi pregunta, sin embargo, me gustaría agregar lo que logré captar de diferentes respuestas y varios libros de texto en una sola respuesta. La siguiente información me ayudó a resolver mis problemas.

Para comprender los requisitos del amplificador operacional, primero hay que entender cómo se diseña un filtro de retroalimentación múltiple. El paso de banda de MFB permite ajustar \ $ Q \ $ , \ $ A_v \ $ y \ $ f_m \ $ independientemente.

Por lo general, la ganancia máxima para un MFB viene dada por \ $ A_v = -2Q ^ 2 \ $ y, por lo tanto, para un \ $ Q = 10 \ $ , la ganancia de voltaje será \ $ 200 \ $ . Observamos que \ $ A_v \ $ aumenta cuadráticamente con \ $ Q \ $ .

Continuando con el diseño inicial presentado anteriormente, para que este circuito funcione correctamente, el Openloop la ganancia del amplificador operacional utilizado debe ser mayor que \ $ 100 \ $ en el centro elegido frecuencia.

  

Además, ¿por qué mi GBW debe estar entre 5 y 10 veces la frecuencia central? ¿Hay algún cálculo al que deba referirse o algo por el estilo?

Por lo general, se incluye un factor de seguridad (sf) entre 5 y 10 para mantener la estabilidad alta y baja distorsión.

Para calcular el GBW:

\ $ GBW > sf * f_oA_v \ $

\ $ GBW > sf * 100k * 102 \ $

Por lo tanto, los GBW deben estar en el rango de 50-100MHz.

No es posible utilizar este tipo de filtro para alta frecuencia, alta Q trabajo, como los amplificadores operacionales estándar pronto "se quedan sin vapor". Esta dificultad aparte, la alta las ganancias producidas incluso por valores moderados para Q pueden ser poco prácticos. Por lo tanto debemos atenuar la señal de entrada.

Entonces, ya que necesitamos \ $ A_v = -2 \ $  y \ $ Q = 10 \ $ , necesitamos un atenuador de entrada. Esta fue la atenuación a la que se referían las otras respuestas.

Nos atenuamos con una relación de resistencia de 100 (R7 / R5) para compensar esto.

  

Seguramente me faltan algunas especificaciones importantes, que no estoy teniendo en cuenta, pero me parece muy extraño que ninguno de los amplificadores operacionales anteriores funcione correctamente para mi tarea actual.

Para el circuito presentado anteriormente, la relación de resistencia atenúa la señal en \ $ 40dB \ $ (100Av) por lo que mis requisitos de ganancia de \ $ 6dB \ $ se agrega encima de eso. Todos los cálculos que estaba realizando no tuvieron en cuenta la atenuación inicial de 40dB.

Como señaló @Markus Müller, estaba usando antiguos amplificadores operacionales. Hay una alternativa mucho mejor, como TL972 .

Como menciona @LvW, cuando el ancho de banda de ganancia no es lo suficientemente grande, la respuesta de frecuencia experimenta un cambio de fase. Además, se menciona correctamente el hecho de que "la topología de filtro seleccionada es muy sensible a los datos opamp no ideales (porque se basa en la ganancia de bucle abierto)".

Aquí proporciono un extracto de Opamps para todos .

Losvaloresdeloscomponentessonidénticosyaqueenmicasoloscondensadoressonmáspequeñosenunfactorde \ $ 100 \ $ mientras que la frecuencia central es también mayor por \ $ 100 \ $ .

    
respondido por el Rrz0
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Parece que estás tratando de obtener una Q de alrededor de 20-40, simplemente observándola, así que el GBW tendrá que ser mucho más alto que la frecuencia central, y preferiblemente 5-10 veces, más parecido 10-40MHz.

La "atenuación" de la que hablan otros es la relación de resistencia que necesitas para obtener esa Q alta, así que no creo que puedas evitar eso.

    
respondido por el Spehro Pefhany
2

Estoy de acuerdo con Tim; No atenúe la señal de entrada innecesariamente mucho.

Entonces, su única opción es algo con más ganancia en y alrededor de 100 kHz.

Por suerte, todos los controles que has probado tienen un ancho de banda bastante bajo (algunos de ellos tienen más de 40 años). Con las alternativas de productos de ancho de banda de ganancia de 10 MHz, probablemente debería estar bastante bien:

Por ejemplo, el TL972 debe estar bien para esta aplicación y se puede obtener por (envío gratuito) $ 0.67 cada uno en reputable Distribuidores. Pero no es una entrada JFET; mi sospecha es que no te importa realmente mientras la corriente de entrada sea lo suficientemente baja.

    
respondido por el Marcus Müller
1

Rrz0 .... déjame contestar tus dos últimas preguntas:

(1) Si el producto de ancho de banda de ganancia no es lo suficientemente grande, tendrá un cambio de fase adicional (provocado por daños). Efecto típico: mejora de Q no deseada. El cambio de fase adicional reduce el margen de fase y desplazará el polo más hacia el eje imaginario, lo que aumenta el polo-Q (idéntico al paso de banda-Q).

(2) Cuando el GBW es 10MHz, la ganancia de bucle abierto a 100kHz será la aplicación. 40 dB (100). Esto no es suficiente. Sin embargo, todos los cálculos se basan en una operación IDEAL sin ningún cambio de fase no deseado, vea mi comentario más arriba en (1). Incluso un cambio de fase adicional de 5 grados. causará una severa mejora de Q.

(3) Tenga en cuenta que la topología de filtro seleccionada es muy sensible a los datos opamp no ideales (porque se basa en la ganancia de bucle abierto). Hay otras estructuras de filtro (basadas en Sallen-Key o GIC) que son menos sensibles a los parámetros opamp no ideales.

(4) Vale la pena mencionar que NO se le pedirá que use los llamados opamps de "suministro único". Todas las unidades operativas se pueden operar con una sola tensión de alimentación. Datos más importantes: GBW (lo más grande posible) y velocidad de giro suficiente (operación de señal grande).

EDIT/UPDATE

El siguiente documento contiene un tratamiento matemático para la influencia de la ganancia de bucle abierto finita y de frecuencia en un circuito de paso de banda MFB.

enlace

Resultado : un factor de 100 entre GBW y la frecuencia de pico de diseño conduce a una desviación de frecuencia de la aplicación. 15% ( corrección de 85 a 15%)

    
respondido por el LvW
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Aquí hay una discusión previa de los filtros de paso de banda. La respuesta que utiliza la herramienta Signal Chain Explorer presenta los efectos de varias Operaciones de Ancho de Banda de Ganancia de Unidad.

Simulando y construyendo un múltiple Filtro de paso de banda de comentarios

    
respondido por el analogsystemsrf

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