อะไรคือปัจจัย จำกัด ของ op-amps เหล่านี้?

ฉันออกแบบตัวกรองผ่านแถบความคิดเห็นหลายตัว

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

ข้อ จำกัด ของการออกแบบที่ผมต้องใช้เดียวอุปทานเครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน

การคำนวณถูกนำออกจากOp-Amps สำหรับทุกคนและฉันได้ผลลัพธ์ที่ต้องการด้วยสอง opamps: OP27และOP355NA

คะแนนที่ควรทราบ:

• พยายาม JFET op-amps หลายตัวตามรายการด้านล่าง
• ใช้ op-amp ในอุดมคติเพื่อตรวจสอบว่าการคำนวณนั้นถูกต้อง

วงจรด้านล่างถูกสร้างและทดสอบบนซอฟต์แวร์ Proteus และ LTSpice ทั้งสองให้ผลลัพธ์เดียวกันซึ่งคาดว่า

การออกแบบวงจร :

การวิเคราะห์แบบอะนาล็อก (ได้รับ 2 เป็นศูนย์กลางรอบ 2.5V)

การตอบสนองความถี่ (ศูนย์ Fre ที่ 100kHz)

ปัญหาคือว่าชิ้นส่วนเหล่านี้ติดตั้งกับพื้นผิว (OP355NA) หรือมีราคาแพงมาก (OP27) ฉันไม่สามารถจ่ายได้มากกว่า 20 ดอลลาร์สำหรับ op-amp

เหล่านี้เป็นแอมป์ op-rail เดียวที่ฉันมีให้ในการกำจัดของฉันและพวกมันไม่ทำงานตามที่คาดไว้!

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

ฉันจะใช้ TL071 และ TL074 เพื่อจำลองจากนี้

op-amps ทั้งหมดกำลังให้ผลลัพธ์ที่คล้ายกันมากเอาต์พุตต่อไปนี้มาจากTL071ซึ่งทดสอบทั้ง Proteus และ LTSpice ที่นี่ฉันนำเสนอรุ่น LTSpice

การวิเคราะห์แบบอะนาล็อก

(แรงดันไฟฟ้าลดลง pp)

การตอบสนองความถี่

(ความถี่กลางถูกเลื่อนไปทางซ้าย)

ดังที่เห็นได้ว่าการเพิ่มขึ้นนั้นไม่ถูกต้องและความถี่กลางถูกเลื่อนไปทางซ้าย นี่เป็นรูปแบบที่เกิดขึ้นประจำสำหรับทุก op-amps ที่ฉันมีให้

ฉันรู้ว่า op-amps ที่ระบุไว้ข้างต้นนั้นแตกต่างกันทั้งหมด แต่พวกเขาควรจะสามารถให้เอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าสูงสุดถึง 1V ที่ 100kHz กราฟลักษณะต่อไปนี้สำหรับ TL071 และ TL074 ซึ่งทั้งสองให้การตอบสนองที่ไม่ถูกต้องเช่นเดียวกัน

แบนด์วิดธ์ที่ได้รับยูทิลิตี้คือ 3MHz

แน่นอนฉันพลาดข้อมูลจำเพาะที่สำคัญบางอย่างซึ่งฉันไม่ได้คำนึงถึง แต่ฉันคิดว่ามันแปลกมากที่ไม่มี op-amps ข้างต้นทำงานได้อย่างถูกต้องสำหรับงานปัจจุบันของฉัน

1. ทำไมฉันจึงสามารถบรรลุผลที่ถูกต้องกับOP27 (GBW = 8MHz) และไม่ได้มี Tl074หรือTl 081 ?

แก้ไข:

ขอบคุณความคิดเห็นและคำตอบที่เป็นประโยชน์ดูเหมือนว่าฉันประเมินความต้องการวงจรของฉันต่ำเกินไป - ส่วนใหญ่เป็นการลดทอนจากอัตราส่วนความต้านทานอินพุต (40dB)

ดูเหมือนว่าคุณกำลังพยายามจะได้ค่า Q ประมาณ 20-40 เพียงแค่มองมันดังนั้น GBW จะต้องมีค่านั้นสูงกว่าความถี่กลางมากและ 5-10 เท่าที่ควรมากกว่านั้นเช่น 10-40MHz .

1. ทำไมฉันถึงมีคิวประมาณ 20-40? ไม่ใช่ Q the (ความถี่กลาง / BW) หรือ 100k / 10k (= 10) ในกรณีของฉัน
2. นอกจากนี้ทำไม GBW ของฉันควรอยู่ที่ประมาณ 5-10 เท่าของความถี่กลาง มีการคำนวณใดที่ควรอ้างถึงหรือเรียงลำดับหรือไม่?

ดูเหมือนว่าคุณกำลังพยายามจะได้ค่า Q ประมาณ 20-40 เพียงแค่มองมันดังนั้น GBW จะต้องมีค่านั้นสูงกว่าความถี่กลางมากและ 5-10 เท่าที่ควรมากกว่านั้นเช่น 10-40MHz .

"การลดทอน" ที่คนอื่นพูดถึงคืออัตราส่วนของตัวต้านทานที่คุณต้องใช้เพื่อให้ได้ค่า Q ที่สูงดังนั้นฉันไม่คิดว่าคุณจะหลีกเลี่ยงได้

ฉันเห็นด้วยกับทิม; ไม่ลดทอนสัญญาณอินพุตมากโดยไม่จำเป็น

จากนั้นตัวเลือกเดียวของคุณคือสิ่งที่ได้รับมากขึ้นที่ประมาณ 100 kHz

โชคดีที่การทดสอบทั้งหมดที่คุณทดสอบนั้นค่อนข้างแบนด์วิดท์ต่ำ (บางส่วนมีอายุมากกว่า 40 ปี) ด้วยทางเลือกอื่น ๆ ในการเพิ่มแบนด์วิดท์ของผลิตภัณฑ์ 10 MHz คุณอาจจะค่อนข้างดี:

เช่น TL972 น่าจะโอเคสำหรับแอปพลิเคชั่นนี้และสามารถซื้อได้ (ฟรีค่าจัดส่ง) $ 0.67 ต่ออันที่ตัวแทนจำหน่ายที่มีชื่อเสียง แต่มันไม่ใช่อินพุตของ JFET - ความสงสัยของฉันคือคุณไม่สนใจจริง ๆ ตราบใดที่กระแสอินพุตต่ำพอ

Rrz0 .... ให้ฉันตอบคำถามสองข้อสุดท้ายของคุณ:

(1) หากผลิตภัณฑ์อัตราขยายแบนด์วิดท์ไม่ใหญ่พอคุณจะมีการเปลี่ยนเฟสเพิ่มเติม (เกิดจาก opamp) ผลทั่วไป: การเพิ่มประสิทธิภาพ Q ที่ไม่ต้องการ การเลื่อนเฟสเพิ่มเติมช่วยลดระยะห่างของเฟสและจะเลื่อนขั้วไปยังแกนจินตภาพซึ่งขยายขั้วโลก -Q (เหมือนกับ bandpass-Q)

(2) เมื่อ GBW เป็น 10MHz จะได้รับ open-loop ที่ 100kHz เป็นแอพ 40 dB (100) สิ่งนี้ไม่เพียงพอ อย่างไรก็ตามการคำนวณทั้งหมดขึ้นอยู่กับ opamp แบบ IDEAL โดยไม่มีการเลื่อนเฟสใด ๆ ที่ไม่ต้องการโปรดดูความคิดเห็นของฉันด้านบนภายใต้ (1) แม้แต่การเปลี่ยนเฟสเพิ่มเติม 5 องศา จะทำให้การปรับปรุง Q รุนแรง

(3) โปรดทราบว่าโทโพโลยีตัวกรองที่เลือกนั้นมีความละเอียดอ่อนมากต่อข้อมูล opamp ที่ไม่เหมาะ (เพราะมันขึ้นอยู่กับอัตราขยายลูปแบบเปิด) มีโครงสร้างตัวกรองอื่น ๆ (Sallen-Key หรือ GIC-based) ซึ่งมีความไวน้อยกว่าพารามิเตอร์ opamp ที่ไม่เหมาะ

(4) เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงว่าคุณไม่จำเป็นต้องใช้ opamps ที่เรียกว่า "single-supply" opamp ทั้งหมดสามารถทำงานได้ด้วยแรงดันไฟฟ้าเดียวเท่านั้น ข้อมูลที่สำคัญที่สุด: GBW (ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้) และอัตราการฆ่าเพียงพอ (การทำงานของสัญญาณขนาดใหญ่)

แก้ไข / ปรับปรุง

กระดาษต่อไปนี้มีการรักษาทางคณิตศาสตร์สำหรับอิทธิพลของการได้รับวง จำกัด และความถี่ open-loop บนวงจร MFB-bandpass

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

ผลลัพธ์ : ปัจจัย 100 ระหว่าง GBW และความถี่สูงสุดของการออกแบบนำไปสู่การเบี่ยงเบนความถี่ของแอป 15% ( การแก้ไขจาก 85 เป็น 15%)

นี่คือการสนทนาก่อนหน้าของตัวกรอง bandpass คำตอบที่ใช้เครื่องมือ Signal Chain Explorer นำเสนอเอฟเฟกต์ของ Unity Gain Bandwidth ที่หลากหลาย

การจำลองและสร้างตัวกรองข้อเสนอแนะหลายวงผ่าน

ฉันได้รับความคิดเห็นและคำตอบที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับคำถามของฉันอย่างไรก็ตามฉันต้องการเพิ่มสิ่งที่ฉันจัดการเพื่อจับจากคำตอบที่แตกต่างกันและหนังสือตำราหลายเล่มในคำตอบเดียวทั้งหมด ข้อมูลด้านล่างช่วยให้ฉันแก้ปัญหาของฉันได้

เพื่อให้เข้าใจถึงข้อกำหนดของ op-amp ต้องรู้ก่อนว่าตัวกรองคำติชมหลายตัวถูกออกแบบมาอย่างไร MFB band-pass ช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนได้$Q$, $A_v$ และ $f_m$ อิสระ

โดยปกติแล้วจะได้รับสูงสุดสำหรับ MFB $A_v= -2Q^2$ และดังนั้นสำหรับ $Q = 10$แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น $200$. เราสังเกตว่า$A_v$ เพิ่มกำลังสองด้วย $Q$.

ไปกับการออกแบบเบื้องต้นที่นำเสนอข้างต้นเพื่อให้วงจรนี้ทำงานได้อย่างถูกต้องผลที่ได้จาก openloop ของ op amp ที่ใช้จะต้องมากกว่า $100$ ที่ความถี่กลางที่เลือก

นอกจากนี้ทำไม GBW ของฉันควรอยู่ที่ประมาณ 5-10 เท่าของความถี่กลาง มีการคำนวณใดที่ควรอ้างถึงหรือเรียงลำดับหรือไม่?

โดยปกติแล้วปัจจัยด้านความปลอดภัย (sf) ระหว่าง 5 ถึง 10 จะถูกรวมไว้เพื่อให้มีเสถียรภาพสูงและความเพี้ยนต่ำ

ในการคำนวณ GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

ดังนั้น GBW ควรอยู่ในช่วง 50-100MHz

มันเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้ตัวกรองประเภทนี้สำหรับงานที่มีความถี่สูงและสูง Q เนื่องจากแอมป์สหกรณ์มาตรฐานเร็ว ๆ นี้“ ไอน้ำหมด” ความยากลำบากนี้กันการได้กำไรสูงที่สร้างจากค่าปานกลางสำหรับ Q อาจทำไม่ได้ ดังนั้นเราจะต้องลดทอนสัญญาณอินพุต

ดังนั้นเนื่องจากเราต้องการ $A_v=-2$ และ $Q=10$เราต้องการตัวลดทอนสัญญาณอินพุต นี่คือการลดทอนที่คำตอบอื่น ๆ ถูกอ้างถึง

เราลดทอนโดยอัตราส่วนความต้านทาน 100 (R7 / R5) เพื่อชดเชยสิ่งนี้

แน่นอนฉันพลาดข้อมูลจำเพาะที่สำคัญบางอย่างซึ่งฉันไม่ได้คำนึงถึง แต่ฉันคิดว่ามันแปลกมากที่ไม่มี op-amps ข้างต้นทำงานได้อย่างถูกต้องสำหรับงานปัจจุบันของฉัน

สำหรับวงจรที่นำเสนอข้างต้นอัตราส่วนตัวต้านทานลดทอนสัญญาณโดย $40dB$ (100Av) ดังนั้นความต้องการในการได้รับของฉันคือ $6dB$มีการเพิ่มที่ด้านบนของที่ การคำนวณทั้งหมดที่ฉันทำไม่ได้คำนึงถึงการลดทอน 40dB เริ่มต้นด้วยการพิจารณา

@Markus Müllerชี้ให้เห็นว่าฉันใช้ op-amps โบราณ มีมากดีกว่าทางเลือกเช่นTL972

ตามที่ @LvW กล่าวถึงเมื่อการเพิ่มแบนด์วิดท์ไม่มากพอการตอบสนองความถี่จะได้รับการเปลี่ยนเฟส นอกจากนี้ยังกล่าวถึงอย่างถูกต้องคือความจริงที่ว่า "ทอพอโลยีตัวกรองที่เลือกมีความไวต่อข้อมูล opamp ที่ไม่เหมาะ (เพราะมันขึ้นอยู่กับการได้รับวงเปิด)"

นี่ฉันให้ตัดตอนมาจากOpamps สำหรับทุกคน

ค่าองค์ประกอบเหมือนกันตั้งแต่ในกรณีของฉันตัวเก็บประจุที่มีขนาดเล็กโดยมีปัจจัยของ$100$ ในขณะที่ความถี่กลางยังใหญ่กว่าด้วย $100$.