Perché questo amplificatore operazionale LM324 non è in grado di riprodurre un segnale al di sopra di una certa frequenza?

Sembra che non vi siano carenze di circuiti come questo che tentano di utilizzare un R2R come DAC e op. amp. come buffer di output. Questi hanno senso per me, quindi ho deciso di provare a costruirne uno.

Ho costruito un circuito leggermente più semplice

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Questo circuito utilizza un singolo amplificatore operazionale da un LM324 che funziona al guadagno unitario. Gli altri 3 nel pacchetto restano scollegati. È guidato da +12 VCC sulla guida positiva che proviene da un alimentatore da banco.

I resistori "4.4k" (2R) sono in realtà solo due resistori da 2,2k in serie.

D1-D4 sono in esecuzione su un atmega328p usando un sintetizzatore digitale diretto wavetable che ho scritto. Non ne parlerò molto, ma il microcontrollore funziona da +5 V CC, quindi ogni linea è 0 o 5 V CC.

R13, Q1 e R14 erano proprio così il circuito stava guidando una sorta di carico del mondo reale. Il transistor agisce come un amplificatore invertente.

Inizialmente ho omesso R10 e R12. Ho ottenuto un output in questo modo.

• CH1 - giallo - uscita di DAC
• CH2 - blu - uscita op. amp.

Con questa frequenza era abbastanza ragionevole.

• CH1 - giallo - uscita di DAC
• CH2 - blu - uscita op. amp.

Ciò produce inaspettatamente un'onda triangolare sfasata.

A questo punto ho aggiunto R10 e R12.

• CH1 - giallo - ingresso non invertente di op. amp.
• CH2 - blu - uscita op. amp.

Ciò ha dimezzato la tensione di uscita, ma ha prodotto un'uscita più accurata. Questa differenza può teoricamente essere compensata usando il guadagno nell'op. amp.

Tuttavia non funziona ancora a frequenze più alte.

• CH1 - giallo - ingresso non invertente di op. amp.
• CH2 - blu - uscita op. amp.

In questo caso non solo produce un'onda triangolare di fase, ma in realtà non arriva mai a +2,5 VCC o torna a terra.

Ecco una foto fisica del setup:

Dal momento che sto usando jumper e breadboard, dovrebbe esserci un limite superiore alla frequenza pratica che il mio DAC può produrre. Tuttavia, i ~ 60 KHz indicati dal mio ambito non dovrebbero costituire un grosso problema. La scheda tecnica per LM324 sembra suggerire che 1 MHz è il limite superiore pratico per l'op. amp. al guadagno unitario. La forma d'onda di uscita mostrata sembra i transistor all'interno dell'op. amp. sono saturi o un effetto simile. Non ne so abbastanza sugli amplificatori operazionali.

È possibile apportare una modifica al mio circuito per ottenere una riproduzione accurata del segnale di ingresso all'uscita dell'amplificatore operazionale da CC a 60 kHz?

Foglio dati che stavo cercando per LM324:

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

Sembra che tu stia incontrando Limitazioni della velocità di risposta e la tua uscita presenta ciò che viene chiamato " Distorsione indotta da rotazione ": l'oscillazione dell'uscita dell'amplificatore operazionale è limitata dalla velocità di risposta, così come la frequenza aumenta il limite per la massima oscillazione dell'uscita senza La " distorsione indotta dalla rotazione " diminuisce, in genere la scheda tecnica degli amplificatori operazionali presenta un diagramma " Uscita oscillante vs frequenza ".

Dai un'occhiata alla Figura 6 del scheda tecnica LM324 e dove si trova il tuo segnale nel diagramma in base all'oscilloscopio acquisito (vedi sotto). Idealmente, vorresti rimanere "sotto la curva".

Se vuoi saperne di più sulla Slew Rate dai un'occhiata alla serie "Slew Rate" nell'addestramento Precision Labs for Op Amp .

LM324 è un OPA vecchio e lento. Ha una "velocità di risposta" limitata, non più di 0,5 V / us, che non consente di seguire variazioni di segnale di ampiezza più elevate di 1 MHz, come è stato riscontrato nel proprio esperimento.

Non c'è niente che puoi fare per migliorare la velocità di risposta. È necessario procurarsi un amplificatore operazionale più veloce.

Prova invece questa scheda tecnica.
Fare riferimento alla Tabella 6.8 - Condizioni operative a pagina 7.
Il primo parametro nella tabella è "Slew rate al guadagno unitario".
Questo ti dice quanto velocemente può muoversi l'uscita dell'opamp, e per questo LM324 è 0,5 V / μs - e questo è quasi senza carico (1MΩ || 30pF).

Dalle tue misurazioni dell'oscilloscopio sembra che tu stia vedendo tra 0,2 e 0,25 V / μs - non del tutto irragionevole con un carico.

La regola generale è che una larghezza di banda a piena potenza (limite superiore) degli amplificatori operazionali è circa il 10% o meno della frequenza di guadagno dell'unità. Pensaci.

Guadagno unitario significa che hai raggiunto una frequenza in cui il guadagno è pari al massimo a uno, in qualunque condizione di prova la fabbricazione specifichi. Neanche questo è un risultato a piena forza. Significa semplicemente Vout = Vin ad un valore molto inferiore alla piena potenza.

Un transistor con un hFE di 100 a 100 KHZ e un'oscillazione a piena tensione può emettere 1 volt pp a 1 MHZ, con un ingresso pp 1 volt. Questo è il meglio che può fare.

Il termine "Guadagno unitario" è un po 'fuorviante perché implica un guadagno utilizzabile, ma in verità il suo guadagno ha raggiunto il suo limite. Per la piena potenza con guadagno dichiarato, prendere il 10% del guadagno unitario come punto di partenza.

Alcuni produttori entrano in dettagli elaborati con grafici per guadagno rispetto a frequenza e carico, ecc. Leggi quei dettagli se si trovano sul foglio dati e aiuteranno a chiarire dove puoi aspettarti un guadagno utilizzabile a piena potenza - oppure no.

Prova questo circuito a transistor

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Con una sonda oscilloscopio 10X standard su Vout (13pF circa), avrai una larghezza di banda di circa 3 nanosecondi (50.000.000 Hertz). Regolare R9 per controllare la linea di base della tensione di uscita.

È possibile aumentare R3 a 220 o 330 o 430 ohm; con valori di resistenza più elevati, la capacità della base del collettore aumenterà quando Vout è vicino a 1,0 V e vedrai un assestamento più lento. Ne risulta quindi un comportamento non lineare ad alta frequenza (seconda distorsione armonica) e si otterrà l'intermodulazione somma / differenza. Con solo 4 bit, dubito che questo sarà un problema per te. Ma potresti scalare qualche resistore in più, a 6 o 8 bit, e alimentare con forme d'onda di somma del peccato prestabilite e quindi esaminare la FFT su un oscilloscopio o un analizzatore di spettro.

Miglioramento delle prestazioni: se riesci a polarizzare la parte inferiore delle 2 resistenze: R1 e R9, a -0,2 volt, la tua linearità migliorerà, probabilmente rilevabile per #bit di grandi dimensioni. Notare che il caricamento sulle righe di input logico non lo è coerente e ciò produce anche Non linearità.

L'uso dello sterzo a corrente differenziale, forse con sorgenti di corrente bipolari e interruttori a diodi utilizzati per sterzare, riduce la non linearità. Ad un certo punto, hai creato un DAC08 costoso da Precision Monolithics Corp, ma con una larghezza di banda da 20 MHz a 50 MHz. Esamina quel foglio dati.

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