เหตุใดแอมป์ LM324 op นี้จึงไม่สามารถสร้างสัญญาณเหนือความถี่ที่แน่นอนได้

ดูเหมือนจะไม่มีปัญหาการขาดแคลนวงจรเช่นนี้ที่พยายามใช้ R2R เป็น DAC และ op แอมป์ เป็นบัฟเฟอร์ส่งออก สิ่งเหล่านี้สมเหตุสมผลสำหรับฉันดังนั้นฉันจึงตัดสินใจลองสร้าง

ฉันสร้างวงจรที่เรียบง่ายขึ้นเล็กน้อย

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

วงจรนี้ใช้แอมป์สหกรณ์เดียวจาก LM324 ที่ทำงานด้วยความสามัคคี อีก 3 คนในแพ็คเกจยังไม่ได้เชื่อมต่อ มันขับเคลื่อนจาก +12 VDC บนรางบวกซึ่งมาจากแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะ

ตัวต้านทาน "4.4k" (2R) เป็นตัวต้านทานเพียง 2.2k สองตัวเท่านั้นในซีรีย์

D1-D4 ทำงานบน atmega328p โดยใช้ซินธิไซเซอร์แบบดิจิตัลโดยตรงแบบคลื่นที่ผมเขียน ฉันจะไม่พูดถึงเรื่องนั้นมากนัก แต่ตัวควบคุมขนาดเล็กทำงานจาก +5 VDC ดังนั้นแต่ละบรรทัดจะเป็น 0 หรือ 5 VDC

R13, Q1 และ R14 เป็นเพียงเพื่อให้วงจรกำลังขับโหลดจริงบางอย่าง ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นเครื่องขยายเสียงกลับหัว

ฉันไม่ใช้ R10 และ R12 ในตอนแรก ฉันได้ผลลัพธ์เช่นนี้

• CH1 - สีเหลือง - เอาต์พุตของ DAC
• CH2 - สีน้ำเงิน - เอาต์พุตของ op แอมป์

ที่ความถี่นี้มันค่อนข้างสมเหตุสมผล

• CH1 - สีเหลือง - เอาต์พุตของ DAC
• CH2 - สีน้ำเงิน - เอาต์พุตของ op แอมป์

สิ่งนี้ค่อนข้างจะสร้างคลื่นสามเหลี่ยมขยับเฟสโดยไม่คาดคิด

ณ จุดนี้ฉันเพิ่ม R10 และ R12

• CH1 - สีเหลือง - อินพุตไม่กลับของ op แอมป์
• CH2 - สีน้ำเงิน - เอาต์พุตของ op แอมป์

สิ่งนี้ตัดแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตออกครึ่งหนึ่ง แต่ส่งผลให้เอาต์พุตมีความแม่นยำมากขึ้น ความแตกต่างนั้นสามารถถูกสร้างขึ้นโดยใช้ gain ใน op แอมป์

อย่างไรก็ตามมันก็ยังไม่ทำงานที่ความถี่สูงกว่า

• CH1 - สีเหลือง - อินพุตไม่กลับของ op แอมป์
• CH2 - สีน้ำเงิน - เอาต์พุตของ op แอมป์

ในกรณีนี้ไม่เพียง แต่สร้างคลื่นรูปสามเหลี่ยมเฟส แต่จริง ๆ แล้วไม่ได้ทำให้ +2.5 VDC หรือกลับสู่พื้นดิน

นี่คือภาพทางกายภาพของการตั้งค่า:

ตั้งแต่ฉันใช้สายจัมเปอร์และเขียงหั่นขนมควรมีขีด จำกัด สูงสุดสำหรับความถี่ในการใช้งานจริงที่ DAC ของฉันสามารถผลิตได้ อย่างไรก็ตามขอบเขตของฉัน ~ 60 KHz บ่งชี้ว่าไม่น่าจะมีปัญหาอะไรมาก แผ่นข้อมูลสำหรับ LM324 ดูเหมือนว่าจะแนะนำว่า 1 MHz เป็นขีด จำกัด สูงสุดสำหรับการใช้งานจริง แอมป์ ที่สามัคคีได้รับ รูปคลื่นของเอาต์พุตที่แสดงนั้นดูเหมือนทรานซิสเตอร์ภายใน op แอมป์ มีความอิ่มตัวหรือผลกระทบที่คล้ายกัน ฉันไม่รู้จักแอมปลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้เพียงพอ

มีการเปลี่ยนแปลงที่ฉันสามารถทำกับวงจรของฉันเพื่อให้ได้การสร้างสัญญาณที่ถูกต้องที่เอาท์พุทแอมป์ op จาก DC เป็น 60 kHz หรือไม่?

เอกสารข้อมูลฉันกำลังมองหา LM324:

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

ดูเหมือนว่าคุณกำลังทำงานในข้อ จำกัด อัตราการสลูว์และเอาต์พุตของคุณจะแสดงสิ่งที่เรียกว่า 'ความผิดเพี้ยนที่เกิดจาก Slew - การแกว่งเอาท์พุทของแอมป์ถูก จำกัด โดยอัตราสลูว์ดังนั้นความถี่เพิ่มขีด จำกัด สำหรับ 'ความผิดเพี้ยนจาก Slew-induced ' ลดลง - โดยทั่วไปแล้ว Op Amps แผ่นข้อมูลมีพล็อต' Output Swing vs Frequency '

ดูที่รูปที่ 6ของแผ่นข้อมูล LM324และสัญญาณของคุณอยู่ในพล็อตตามขอบเขตการจับภาพที่คุณแบ่งปัน (ดูด้านล่าง) เป็นการดีที่คุณต้องการที่จะอยู่ "ภายใต้เส้นโค้ง"

หากคุณต้องการที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับอัตราสลูว์ใช้เวลาดูที่ชุดของอัตราสลูว์ 'ในความแม่นยำ Labs สำหรับการฝึกอบรม

LM324 เป็น OPA แบบเก่าและช้า มี จำกัด "อัตราการฆ่า" ไม่เกิน 0.5 V / เราซึ่งไม่อนุญาตให้ติดตามสัญญาณแอมพลิจูดขนาดใหญ่เปลี่ยนเร็วกว่า 1 MHz ตามที่คุณพบในการทดลองของคุณเอง

ไม่มีสิ่งใดที่คุณสามารถทำได้เพื่อปรับปรุงอัตราการฆ่า คุณต้องจัดหาแอมพลิฟายเออร์ที่ทำงานได้เร็วขึ้น

ลองแผ่นข้อมูลนี้แทน
อ้างถึงตารางที่ 6.8 - สภาพการใช้งานในหน้า 7
พารามิเตอร์ที่ 1 ในตารางคือ "อัตราการสลูว์ที่อัตราความเป็นหนึ่งเดียว"
สิ่งนี้จะบอกคุณว่าเอาต์พุตของ opamp สามารถเคลื่อนย้ายได้เร็วแค่ไหนและสำหรับ LM324 นี้คือ 0.5V / μs - และที่แทบจะไม่มีโหลดเลย (1MΩ || 30pF)

จากการวัดขอบเขตของคุณดูเหมือนว่าคุณจะเห็นค่าประมาณ 0.2 ถึง 0.25V / μs - ซึ่งไม่สมเหตุสมผลอย่างสมบูรณ์กับโหลด

กฎทั่วไปของหัวแม่มือคือแบนด์วิดท์กำลังไฟฟ้าแบบเต็มของ op-amps (ขีด จำกัด สูงสุด) ประมาณ 10% หรือน้อยกว่าของความถี่ที่ได้รับความเป็นเอกภาพ ลองคิดดู

Unity gain หมายถึงคุณได้มาถึงความถี่ที่ได้รับเท่ากับหนึ่งที่ดีที่สุดภายใต้เงื่อนไขการทดสอบใด ๆ ผลิตระบุ นี่ไม่ใช่เอาต์พุตเต็มกำลังเช่นกัน มันหมายถึง Vout = Vin ในบางค่าน้อยกว่ากำลังเต็ม

ทรานซิสเตอร์ที่มี hFE 100 ที่ 100 KHZ และแรงดันไฟฟ้าเต็มแกว่งอาจส่งออก 1 โวลต์ pp ที่ 1 MHZ โดยมีอินพุต 1 โวลต์ นั่นเป็นวิธีที่ดีที่สุด

คำว่า "Unity gain" นั้นทำให้เข้าใจผิดเล็กน้อยเพราะมันหมายถึงการได้มาซึ่งใช้งานได้ แต่ในความเป็นจริงแล้วการได้มาถึงขีด จำกัด แล้ว สำหรับกำลังไฟเต็มตามที่ระบุไว้จะได้รับความสามัคคี 10% เป็นจุดเริ่มต้น

ผู้ผลิตบางรายมีรายละเอียดที่ซับซ้อนพร้อมแผนภูมิเพื่อรับประโยชน์เทียบกับความถี่และโหลด ฯลฯ อ่านรายละเอียดเหล่านั้นหากอยู่ในแผ่นข้อมูลและพวกเขาจะช่วยให้ชัดเจนว่าคุณสามารถคาดหวังผลกำไรที่สามารถใช้ได้หรือไม่

ลองใช้วงจรทรานซิสเตอร์นี้

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ด้วยโพรบขอบเขต 10X มาตรฐานบน Vout (13pF หรือมากกว่านั้น) คุณจะมีแบนด์วิดท์ประมาณ 3 นาโนวินาที (50,000,000 เฮิร์ตซ์) ปรับ R9 เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกพื้นฐาน

คุณสามารถเพิ่ม R3 เป็น 220 หรือ 330 หรือ 430 โอห์ม ที่ค่าความต้านทานที่สูงขึ้นความจุของฐานสะสมจะเพิ่มขึ้นเมื่อ Vout ใกล้ 1.0v และคุณจะเห็นการทรุดตัวช้าลง ดังนั้นผลลัพธ์พฤติกรรมที่ไม่ใช่เชิงเส้นความถี่สูง (การเพี้ยนแบบฮาร์มอนิกครั้งที่ 2) และคุณจะได้รับการรวมกันของผลต่าง / ผลต่าง มีเพียง 4 บิตฉันสงสัยว่านี่จะเป็นปัญหาสำหรับคุณ แต่คุณอาจขยายขนาดตัวต้านทานเพิ่มอีกไม่กี่ตัวเป็น 6 หรือ 8 บิตและป้อนด้วยรูปคลื่นผลรวมของบาปก่อนบรรจุกระป๋องแล้วตรวจสอบ FFT บนขอบเขตหรือตัววิเคราะห์สเปกตรัม

การเพิ่มประสิทธิภาพ: ถ้าคุณสามารถไบอัสที่ด้านล่างของตัวต้านทาน 2 ตัว: R1 และ R9 ถึง -0.2 โวลต์ความเป็นเชิงเส้นของคุณจะดีขึ้นและตรวจจับได้สำหรับ #bits ขนาดใหญ่ โปรดทราบว่าการโหลดบนบรรทัดอินพุตลอจิกไม่สอดคล้องกันและสิ่งนี้จะสร้าง NonLinearities

การใช้การหมุนเวียนของเฟืองท้ายอาจมีแหล่งกระแสสองขั้วและสวิทช์ไดโอดที่ใช้ในการคัดท้ายลดความไม่เป็นเชิงเส้น ในบางจุดคุณได้สร้าง DAC08 จาก Precision Monolithics Corp แต่มีแบนด์วิธ 20MHz ถึง 50MHz ตรวจสอบแผ่นข้อมูลนั้น

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