Quali sono i fattori limitanti di questi amplificatori operazionali?

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Ho progettato un filtro passa banda multiplo con feedback

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

Le restrizioni di progettazione sono che devo usare un amplificatore operazionale a singola alimentazione .

I calcoli sono stati tolti dagli amplificatori operazionali per tutti e ho ottenuto il risultato desiderato con due opamp : OP27 e OP355NA

Punti da notare:

Ho provato più amplificatori operazionali JFET come elencato di seguito
Amplificatore operazionale ideale usato per verificare che i calcoli siano corretti

Il circuito sottostante è stato costruito e testato su entrambi i software Proteus e LTSpice. Entrambi hanno prodotto gli stessi risultati, che erano previsti.

Progettazione del circuito :

Analisi analogica (guadagno di 2, centrato attorno a 2,5 V)

Risposta in frequenza (Center Fre a 100kHz)

Il problema è che queste parti sono a montaggio superficiale (OP355NA) o molto costose (OP27). Non posso permettermi di pagare più di 20 dollari per un op-amp.

Questi sono gli amplificatori operazionali a binario singolo che ho a disposizione, e nessuno di essi funziona come previsto!

Userò TL071 e TL074 per simulare da ora in poi.

Tutti gli amplificatori operazionali stanno producendo un risultato molto simile, il seguente output proviene da TL071 , testato su Proteus e LTSpice. Qui, presento la versione LTSpice.

Analisi analogica

(Riduzione della tensione pp)

Risposta in frequenza

(Frequenza centrale spostata a sinistra)

Come si può vedere, il guadagno non è corretto e la frequenza centrale viene spostata a sinistra. Questo era un tema ricorrente per TUTTI gli amplificatori operazionali che ho a disposizione.

So che gli amplificatori operazionali sopra elencati sono tutti diversi, ma dovrebbero essere tutti in grado di fornire una tensione di picco-picco di uscita di 1 V a 100 kHz. I seguenti grafici delle caratteristiche sono per TL071 e TL074, entrambi con la stessa risposta errata .

La larghezza di banda del guadagno dell'utilità è di 3MHz.

Sicuramente mi mancano alcune specifiche importanti, che non sto prendendo in considerazione, ma trovo molto strano che nessuno dei suddetti amplificatori operazionali funzioni correttamente per il mio compito attuale.

Perché posso ottenere risultati corretti con OP27 (GBW = 8MHz) e non con Tl074 o Tl 081 ?

MODIFICARE:

Grazie ai commenti e alle risposte utili sembra che io abbia sottovalutato i miei requisiti di circuito - Principalmente l'attenuazione dal rapporto di resistenza in ingresso (40 dB)

Sembra che tu stia provando a ottenere una Q di circa 20-40, solo a guardarla negli occhi, quindi il GBW dovrà essere molto più alto della frequenza centrale, e preferibilmente 5-10x, quindi più come 10-40MHz .

Perché ho una Q di circa 20-40? Q non è (frequenza centrale / BW) o 100k / 10k (= 10) nel mio caso.
Inoltre, perché il mio GBW dovrebbe essere circa 5-10 volte la frequenza centrale? Ci sono calcoli a cui si dovrebbe fare riferimento o qualcosa del genere?

— rrz0
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Ω

$\Omega$

2

La scheda tecnica TL071 inizia letteralmente con "SLOS080N - SETTEMBRE 1978 - REVISIONATO LUGLIO 2017"; quindi ora ha 40 anni :)

— Marcus Müller,

1

TL08xx: "SLOS081I - FEBBRAIO 1977 - REVISIONATO MAGGIO 2015", quindi ha quasi 42 anni.

— Marcus Müller,

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(oh, e su una nota personale: i pacchetti SMD come SOIC non sono poi così difficili da saldare; provalo. Ti piacerà.)

— Marcus Müller,

1

brhans .... e allora? Pensi davvero che non possano essere utilizzati per applicazioni a fornitura singola?

— Liv

5

Sembra che tu stia provando a ottenere una Q di circa 20-40, solo a guardarla negli occhi, quindi il GBW dovrà essere molto più alto della frequenza centrale, e preferibilmente 5-10x, quindi più come 10-40MHz .

L '"attenuazione" di cui parlano gli altri è il rapporto di resistenza di cui hai bisogno per ottenere un Q così alto, quindi non credo che tu possa evitarlo.

— Spehro Pefhany
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sì, questo è ciò che intendevo. Grazie. La gente non si rende conto di quanto sia difficile far emergere le parole dal mio pensiero: D E sì, quella sorgente ad alta impedenza era un'aringa rossa, se non addirittura completamente sbagliata. Rimuoverà.

— Marcus Müller,

Dannazione, hai ragione, e la mia risposta era completamente sbagliata. L'ho appena cancellato.

— TimWescott,

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@Spehro Pefhany grazie per la tua risposta. Come concludi che sto cercando di ottenere una Q di circa 20-40? Non è la Q (frequenza centrale / BW) o 100k / 10k nel mio caso. Inoltre, come si arriva a un GBW che è 5-10 volte la frequenza centrale? Esistono calcoli a cui si dovrebbe fare riferimento o qualcosa del genere?

— rrz0

1

@ TimWescott, ha concluso che volevo una Q di circa 20-40, no? Inoltre, è esattamente per questo che lo sto chiedendo. Come può qualcuno che non lo sta facendo per sempre arrivare a una conclusione simile.

— rrz0,

1

In caso contrario, guardando il circuito, si trova la Q osservando la risposta in frequenza. Quando lo fai da sempre, guardi e basta. Quando non lo fai da sempre, metti segni di spunta (reali o virtuali) sulla risposta 3dB dal picco, quindi misuri (o bulbo oculare) l'intervallo di frequenza tra di loro. (Frequenza centrale) / (larghezza di banda 3dB) più o meno uguale a Q.

— TimWescott

2

Sono d'accordo con Tim; non attenuare eccessivamente il segnale di ingresso.

Quindi, l'unica scelta è qualcosa con più guadagno a circa 100 kHz.

Fortunatamente, tutti gli opamp che hai testato hanno una larghezza di banda piuttosto bassa (alcuni hanno più di 40 anni). Con le alternative del prodotto con larghezza di banda di guadagno di 10 MHz, dovresti probabilmente andare abbastanza bene:

Ad esempio, TL972 dovrebbe essere OK per questa applicazione e può essere acquistato per (spedizione gratuita) $ 0,67 ciascuno presso distributori affidabili . Ma non è un ingresso JFET - il mio sospetto è che in realtà non ti importi finché la corrente di ingresso è abbastanza bassa.

— Marcus Müller
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1

Rrz0 .... lasciami rispondere alle tue ultime due domande:

(1) Se il prodotto della larghezza di banda del guadagno non è sufficientemente grande, si avrà uno spostamento di fase aggiuntivo (causato da opamp). Effetto tipico: miglioramento Q indesiderato. Lo spostamento di fase aggiuntivo riduce il margine di fase e sposta ulteriormente il polo sull'asse immaginario - che allarga il polo-Q (identico al passa-banda-Q).

(2) Quando il GBW è 10 MHz il guadagno ad anello aperto a 100 kHz sarà l'app. 40 dB (100). Questo non è sufficiente. Tuttavia, tutti i calcoli si basano su un opamp IDEAL senza spostamento di fase indesiderato, vedere il mio commento sopra in (1). Anche uno sfasamento aggiuntivo di 5 gradi. causerà un grave miglioramento della Q.

(3) Notare che la topologia di filtro selezionata è molto sensibile ai dati opamp non ideali (perché si basa sul guadagno ad anello aperto). Esistono altre strutture di filtro (basate su Sallen-Key o basate su GIC) che sono meno sensibili ai parametri opamp non ideali.

(4) Vale la pena ricordare che NON sarà richiesto l'uso dei cosiddetti opamp "a fornitura singola". Tutti gli opamp possono funzionare con una sola tensione di alimentazione. Dati più importanti: GBW (il più grande possibile) e velocità di risposta sufficiente (funzionamento del segnale di grandi dimensioni).

EDIT / UPDATE

Il seguente documento contiene un trattamento matematico per l'influenza del guadagno ad anello aperto finito e di frequenza su un circuito passa-banda MFB.

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

Risultato : un fattore 100 tra il GBW e la frequenza di picco del progetto determina una deviazione di frequenza dell'app. 15% ( correzione dall'85 al 15%)

— LVW
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grazie per aver risposto alle mie ultime due domande. Scusa questa domanda di base, ma per quanto riguarda il punto 4, se decido di utilizzare OP27 che è elencato come un amplificatore operazionale "dual-supply" sarei ancora in grado di funzionare con un normale alimentatore da 0-5 V. ? Se è così, perché non è elencato come opamp sia a singola che a doppia alimentazione?

— rrz0,

Inoltre OP27 ha solo un GBW di 8MHz ma funziona bene sulla simulazione (a differenza degli amplificatori operazionali testati con GBW maggiore). Quindi potrebbe essere che, come accennato al punto 3, ci sono altri problemi più grandi che il mio circuito affronta, che non sono i GBW ma i dati opamp non ideali

— rrz0

Perché è conoscenza di base che ogni opamp può essere utilizzato con alimentazione singola o doppia. L'unica differenza è il punto di polarizzazione DC. Alcuni opamp sono progettati in modo tale che l'ampiezza di uscita (quasi) raggiunga i limiti della barra di alimentazione - e, quindi, siano adatti - il più possibile - per il funzionamento a "alimentazione singola". Questa è l'unica differenza.

— Liv

Ho fatto una simulazione (PSpice) del tuo circuito con OP-27. Risultato: 89,4 kHz.

— Liv

0

Ecco una discussione precedente sui filtri passa-banda. La risposta che utilizza lo strumento Signal Chain Explorer presenta gli effetti di vari Opamp di larghezza di banda di guadagno Unity.

Simulazione e creazione di un filtro passa-banda a feedback multiplo

— analogsystemsrf
fonte

3

Questo farebbe un bel commento, ma è una risposta piuttosto negativa. Suggerisci la conversione in un commento e l'eliminazione della risposta. In alternativa, si prega di espandere.

— Scott Seidman,

0

Ho ricevuto alcuni eccellenti commenti e risposte alla mia domanda, tuttavia vorrei aggiungere ciò che sono riuscito a cogliere da diverse risposte e diversi libri di testo in un'unica risposta. Le informazioni di seguito mi hanno aiutato a risolvere i miei problemi.

$Q$ $A_v$ $f_m$

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

$100$

Inoltre, perché il mio GBW dovrebbe essere circa 5-10 volte la frequenza centrale? Ci sono calcoli a cui si dovrebbe fare riferimento o qualcosa del genere?

Di solito, è incluso un fattore di sicurezza (sf) tra 5 e 10 per mantenere alta la stabilità e bassa distorsione.

Per calcolare il GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Pertanto GBW dovrebbe essere nell'intervallo 50-100 MHz.

Non è possibile utilizzare questo tipo di filtro per lavori ad alta frequenza e ad alta Q, poiché gli amplificatori operazionali standard “presto esauriscono il vapore”. A parte questa difficoltà, gli alti guadagni prodotti anche da valori moderati per Q possono essere poco pratici. Pertanto dobbiamo attenuare il segnale di ingresso.

$A_v=-2$ $Q=10$

Per compensare ciò attenuiamo un rapporto di resistenza di 100 (R7 / R5).

Sicuramente mi mancano alcune specifiche importanti, che non sto prendendo in considerazione, ma trovo molto strano che nessuno dei suddetti amplificatori operazionali funzioni correttamente per il mio compito attuale.

$40dB$ $6dB$

Come ha sottolineato @Markus Müller, stavo usando antichi amplificatori operazionali. Esistono alternative molto migliori come TL972 .

Come menziona @LvW, quando la larghezza di banda del guadagno non è abbastanza grande, la risposta in frequenza subisce uno sfasamento. Inoltre, correttamente citato è il fatto che "la topologia di filtro selezionata è molto sensibile ai dati opamp non ideali (perché si basa sul guadagno ad anello aperto)".

Qui fornisco un estratto di Opamps per tutti .

$100$ $100$

— rrz0
fonte

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Rrz0_one commento aggiuntivo: per valori Q più grandi, è un metodo noto per utilizzare un piccolo feedback positivo (resistivo) oltre al percorso di feedback RC negativo. Questa estensione del classico passa-banda MFB è dovuta a Deliyannis. In questo caso, il guadagno della banda media è solo Am = 2 * SQRT (2) * Q - 1. In questo caso, R5 viene eliminato.

— Liv

Da un lato, invece di "nel mio caso i condensatori sono più grandi di un fattore di 100" intendi più piccoli, ma va bene. La tua risposta è abbastanza vicina da correggere, ma dovresti leggere la sezione 16.8.4, che tratta i tuoi problemi. Suggerisce un GBW di almeno 20 MHz minimo per il circuito (presupponendo che sia richiesta l'1% di precisione). E questo, ovviamente, va ben oltre qualsiasi amplificatore operazionale che stavi guardando.

— WhatRoughBeast

@WhatRoughBeast Sì, hai ragione, corretto. Mi sono imbattuto in quella sezione dopo aver iniziato il mio progetto, anziché prima come avrebbe dovuto essere. Grazie per i suggerimenti.

— rrz0,