Bu op-amp'lerin sınırlayıcı faktörleri nelerdir?

Birden fazla geri bildirim bant geçiren filtre tasarladım

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

Tasarım kısıtlamaları, tek besleme işlemsel bir amplifikatör kullanmam gerektiğidir .

Hesaplamalar Herkes İçin Op Amperlerden çıkarıldı ve iki opamp ile istenen sonucu aldım: OP27 ve OP355NA

Dikkat Edilmesi Gereken Noktalar:

• Birden fazla JFET op-amp'i aşağıda listelendiği gibi denedim
• Hesaplamaların doğru olup olmadığını kontrol etmek için ideal op-amp'i kullanın

Aşağıdaki devre hem Proteus hem de LTSpice yazılımı üzerinde oluşturuldu ve test edildi. Her ikisi de beklenen aynı sonuçları verdi.

Devre Tasarımı :

Analog Analiz (2V kazanç, 2.5V merkezli)

Frekans Tepkisi (100kHz'de Merkez Fre)

Sorun, bu parçaların yüzeye montaj (OP355NA) veya çok pahalı (OP27) olmasıdır. Ben göze alamaz bir op-amp için 20'den fazla dolar ödemek.

Bunlar elimde bulunan tek raylı op amfiler ve hiçbiri beklendiği gibi çalışmıyor!

• TL 081
• TL 082
• TL 071
• TL 074
• LM 358
• LM 324

Bundan sonra simüle etmek için TL071 ve TL074 kullanacağım.

Tüm op- amp'lar çok benzer bir sonuç veriyor , aşağıdaki çıkış hem Proteus hem de LTSpice üzerinde test edilen TL071'den. Burada LTSpice versiyonunu sunuyorum.

Analog Analiz

(Azalan voltaj pp)

Frekans tepkisi

(Merkez Frekansı sola kaydırıldı)

Görülebileceği gibi, kazanç yanlıştır ve merkezi frekans sola kaydırılmıştır. Bu, sahip olduğum TÜM op-amp'ler için tekrar eden bir temaydı .

Yukarıda listelenen op-amplerin hepsinin farklı olduğunu biliyorum, ancak hepsi 100kHz'de 1V pik voltajına bir çıkış zirvesi sağlayabilmelidir. Aşağıdaki karakteristik grafikler, her ikisi de aynı yanlış yanıtı veren TL071 ve TL074 içindir .

Fayda-kazanç bant genişliği 3MHz'dir.

Elbette dikkate almadığım bazı önemli özellikleri kaçırıyorum, ancak yukarıdaki op-amperlerin hiçbirinin mevcut görevim için düzgün çalışmamasını çok garip buluyorum.

1. Neden Tl074 veya Tl 081 ile değil de OP27 (GBW = 8MHz) ile doğru sonuçlar elde edebilirim ?

DÜZENLE:

Yararlı yorumlar ve cevaplar sayesinde devre gereksinimlerimi hafife aldım gibi görünüyor - Temel olarak giriş direnci oranından (40dB) zayıflama

Görünüşe göre, 20-40 civarında bir Q elde etmeye çalışıyorsunuz, sadece göz kamaştırıyor, bu yüzden GBW, merkez frekanstan çok daha yüksek ve tercihen 5-10x, 10-40MHz gibi olacak .

1. Neden yaklaşık 20-40'lık bir Q'um var? Benim durumumda Q (merkez frekans / BW) veya 100k / 10k (= 10) değil.
2. Ayrıca, GBW'm neden merkez frekansının yaklaşık 5-10 katı olmalıdır? Birinin başvurması gereken hesaplamalar veya herhangi bir şey var mı?

Görünüşe göre, 20-40 civarında bir Q elde etmeye çalışıyorsunuz, sadece göz kamaştırıyor, bu yüzden GBW, merkez frekanstan çok daha yüksek ve tercihen 5-10x, 10-40MHz gibi olacak .

Diğerlerinin bahsettiği "zayıflama", o kadar yüksek Q almanız gereken direnç oranıdır, bu yüzden bundan kaçınabileceğinizi sanmıyorum.

Tim'e katılıyorum; giriş sinyalini gereksiz yere zayıflatmayın.

Öyleyse, tek seçeneğiniz 100 kHz'de ve daha fazla kazanç sağlayan bir şeydir.

Neyse ki, test ettiğiniz tüm opamp'ler oldukça düşük bant genişliğindedir (bazıları 40 yaşından büyüktür). 10 MHz kazanç-bant genişliği-ürün alternatifleri ile muhtemelen oldukça iyi olmalısınız:

Örneğin, TL972 bu uygulama için uygun olmalıdır ve saygın distribütörlerde (ücretsiz gönderim) 0,67 $ karşılığında alınabilir . Ama bu bir JFET girişi değil - şüphem, giriş akımı yeterince düşük olduğu sürece gerçekten umursamamanız.

Rrz0 .... son iki sorunuzu cevaplayayım:

(1) Kazanç-bant genişliği ürünü yeterince büyük değilse, ek (opamp kaynaklı) faz kayması olacaktır. Tipik etki: İstenmeyen Q geliştirme. Ek faz kayması, faz sınırını azaltır ve kutbu, kutup Q'yu (bandpass-Q ile özdeş) büyüten hayali eksene doğru daha da kaydırır.

(2) GBW 10MHz olduğunda 100kHz'de açık döngü kazancı uygulanabilir. 40 dB (100). Bu yeterli değil. Ancak, tüm hesaplamalar herhangi bir istenmeyen faz kayması olmayan bir IDEAL opamp temel alınmıştır, yukarıdaki (1) altındaki yorumuma bakın. 5 derece ek faz kayması bile. ciddi bir Q artışına neden olur.

(3) Seçilen filtre topolojisinin ideal olmayan opamp verilerine çok duyarlı olduğunu lütfen unutmayın (çünkü açık döngü kazancına dayanmaktadır). İdeal olmayan opamp parametrelerine karşı daha az duyarlı olan diğer filtre yapıları (Sallen-Key veya GIC tabanlı) vardır.

(4) Sözde "tek tedarik" opamp kullanmanız gerekmeyeceğinden bahsetmeye değer. Tüm opamp'ler sadece tek bir besleme gerilimi ile çalıştırılabilir. En önemli veriler: GBW (mümkün olduğunca büyük) ve yeterli dönüş hızı (büyük sinyal çalışması).

DÜZENLEME / GÜNCELLEME

Aşağıdaki makalede, bir MFB-bant geçiş devresi üzerindeki sonlu ve frekans açık döngü kazancının etkisi için bir matematiksel muamele bulunmaktadır.

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

Sonuç : GBW ve tasarım tepe frekansı arasında 100 faktörü, uygulamanın frekans sapmasına yol açar. % 15 (% 85 ila% 15 düzeltme )

Burada bant geçiren filtrelerin daha önceki bir tartışması verilmiştir. Sinyal Zinciri Gezgini aracını kullanan cevap, çeşitli Unity Gain Bant Genişliği Opamp'lerinin etkilerini sunar.

Çoklu Geri Beslemeli Bant Geçiş Filtresini Simüle Etme ve Oluşturma

Soruma bazı mükemmel yorumlar ve cevaplar aldım, ancak tek bir cevapta farklı cevaplardan ve birkaç ders kitabından kavramayı başardığımı eklemek istiyorum. Aşağıdaki bilgiler eldeki sorunlarımı çözmeme yardımcı oldu.

Op-amp gereksinimlerini anlamak için, öncelikle çoklu geri besleme filtresinin nasıl tasarlandığını anlamalıdır. MFB bant geçişi,$Q$, $A_v$ , ve $f_m$ bağımsız.

Genellikle bir MFB için pik kazanç şu şekilde verilir: $A_v= -2Q^2$ ve böylece, $Q = 10$, voltaj kazancı $200$. Bunu gözlemliyoruz$A_v$ ile kuadratik olarak artar $Q$.

Yukarıda sunulan ilk tasarıma geçerek, bu devrenin düzgün çalışması için kullanılan op amp'in açık döngü kazancı daha büyük olmalıdır. $100$ seçilen merkez frekansta.

Ayrıca, GBW'm neden merkez frekansının yaklaşık 5-10 katı olmalıdır? Birinin başvurması gereken hesaplamalar veya herhangi bir şey var mı?

Genellikle, kararlılığı yüksek ve bozulmayı düşük tutmak için 5 ile 10 arasında bir güvenlik faktörü (sf) bulunur.

GBW'yi hesaplamak için:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Bu nedenle GBW, 50-100 MHz aralığında olmalıdır.

Bu tip filtreleri yüksek frekanslı, yüksek Qlu işler için kullanmak mümkün değildir, çünkü standart op amperlerin yakında "buharı biter". Bu zorluk bir yana, Q için ılımlı değerlerin bile ürettiği yüksek kazançlar pratik olmayabilir. Bu nedenle giriş sinyalini zayıflatmalıyız.

Yani, ihtiyacımız olduğu için $A_v=-2$ ve $Q=10$, bir girdi zayıflatıcısına ihtiyacımız var. Bu, diğer cevapların bahsettiği zayıflama idi.

Bunu telafi etmek için 100 (R7 / R5) direnç oranıyla zayıflıyoruz.

Elbette dikkate almadığım bazı önemli özellikleri kaçırıyorum, ancak yukarıdaki op-amperlerin hiçbirinin mevcut görevim için düzgün çalışmamasını çok garip buluyorum.

Yukarıda sunulan devre için, direnç oranı sinyali $40dB$ (100Av) benim kazanç gereksinimlerim $6dB$üstüne eklenir. Gerçekleştirdiğim tüm hesaplamalar ilk 40dB zayıflamasını dikkate almadı .

@Markus Müller'in işaret ettiği gibi, eski op-amper kullanıyordum. 972 TL gibi çok daha iyi bir alternatif var .

@LvW'den bahsedildiği gibi, kazanç bant genişliği yeterince büyük olmadığında, frekans yanıtı bir faz kayması yaşar. Ayrıca, "seçilen filtre topolojisinin ideal olmayan opamp verilerine çok duyarlı olduğu açıktır (çünkü açık döngü kazancına dayandırılmıştır).

Burada Opamps for Everyone'dan bir alıntı sunuyorum .

Bileşen değerleri aynıdır benim durumumda kapasitörler kat daha küçük olduğu için$100$ merkez frekansı da $100$.