Pourquoi cet ampli opérationnel LM324 ne peut-il pas reproduire un signal au-dessus d'une certaine fréquence?

Il ne semble pas y avoir de pénurie de circuits comme celui-ci qui tentent d'utiliser un R2R comme DAC et op. amp. comme tampon de sortie. Cela a du sens pour moi, alors j'ai décidé d'essayer d'en construire un.

J'ai construit un circuit un peu plus simple

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Ce circuit utilise un seul ampli op d'un LM324 fonctionnant au gain unitaire. Les 3 autres dans le package ne sont pas connectés. Il est piloté à partir de +12 VDC sur le rail positif qui provient d'une alimentation banc.

Les résistances "4.4k" (2R) ne sont en réalité que deux résistances 2.2k en série.

D1-D4 fonctionne sur un atmega328p en utilisant un synthétiseur numérique direct à table d'onde que j'ai écrit. Je ne vais pas en parler beaucoup, mais le microcontrôleur fonctionne à +5 VDC, donc chaque ligne est de 0 ou 5 VDC.

Les R13, Q1 et R14 étaient juste pour que le circuit conduise une sorte de charge réelle. Le transistor agit comme un amplificateur inverseur.

J'ai à l'origine omis R10 et R12. J'ai obtenu une sortie comme ça.

• CH1 - jaune - sortie DAC
• CH2 - bleu - sortie op. amp.

À cette fréquence, c'était assez raisonnable.

• CH1 - jaune - sortie DAC
• CH2 - bleu - sortie op. amp.

Cela produit de manière assez inattendue une onde triangulaire déphasée.

À ce stade, j'ai ajouté R10 et R12.

• CH1 - jaune - entrée non inverseuse de l'op. amp.
• CH2 - bleu - sortie op. amp.

Cela a réduit de moitié la tension de sortie, mais a abouti à une sortie plus précise. Cette différence peut théoriquement être compensée en utilisant le gain dans l'op. amp.

Cependant, cela ne fonctionne toujours pas à des fréquences plus élevées.

• CH1 - jaune - entrée non inverseuse de l'op. amp.
• CH2 - bleu - sortie op. amp.

Dans ce cas, non seulement il produit une onde triangulaire de phase, mais il ne parvient jamais à +2,5 VDC ou à la terre.

Voici un plan physique de l'installation:

Comme j'utilise des cavaliers et des platines, il devrait y avoir une limite supérieure à la fréquence pratique que mon DAC peut produire. Cependant, le ~ 60 KHz que mon champ d'application indique ne devrait pas être un gros problème. La fiche technique du LM324 semble suggérer que 1 MHz est la limite supérieure pratique pour l'op. amp. à gain unitaire. La forme d'onde de sortie montrée ressemble aux transistors à l'intérieur de l'op. amp. sont saturés ou un effet similaire. Je ne connais pas assez les amplificateurs opérationnels.

Puis-je modifier mon circuit pour obtenir une reproduction précise du signal d'entrée à la sortie de l'ampli op de DC à 60 kHz?

Fiche technique que je cherchais pour le LM324:

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

Il semble que vous rencontriez des limitations de vitesse de balayage, et votre sortie présente ce que l'on appelle la ` ` distorsion induite par le balayage '' - le swing de sortie de l'ampli opérationnel est limité par le taux de balayage, de sorte que la fréquence augmente la limite pour un swing de sortie maximum sans La ` ` distorsion induite par le balayage ' ' diminue - généralement la fiche technique des amplificateurs opérationnels a un `` swing de sortie vs fréquence tracé ` ''.

Jetez un oeil à la figure 6 de la fiche technique LM324 , et où votre signal est dans le tracé en fonction des captures de portée que vous avez partagées (voir ci-dessous). Idéalement, vous voudriez rester "sous la courbe".

Si vous voulez en savoir plus sur le Slew Rate, jetez un œil à la série «Slew Rate» dans la formation Precision Labs for Op Amps .

Le LM324 est un OPA ancien et lent. Il a une "vitesse de balayage" limitée, pas plus de 0,5 V / us, ce qui ne permet pas de suivre des changements de signal d'amplitude plus rapides que 1 MHz, comme vous l'avez trouvé dans votre propre expérience.

Il n'y a rien que vous puissiez faire pour améliorer le taux de balayage. Vous devez vous procurer un amplificateur opérationnel plus rapide.

Essayez plutôt cette fiche technique .
Reportez-vous au tableau 6.8 - Conditions de fonctionnement à la page 7.
Le 1er paramètre du tableau est le "taux de balayage avec gain unitaire".
Cela vous indique à quelle vitesse la sortie de l'ampli op peut se déplacer, et pour ce LM324, c'est 0,5 V / μs - et c'est presque sans charge (1 MΩ || 30pF).

D'après vos mesures de portée, il semble que vous voyez environ 0,2 à 0,25 V / μs - pas entièrement déraisonnable avec une charge.

La règle générale est qu'une bande passante à pleine puissance d'amplificateurs opérationnels (limite supérieure) représente environ 10% ou moins de la fréquence de gain unitaire. Pensez-y.

Le gain unitaire signifie que vous avez atteint une fréquence où le gain est au mieux égal à un, quelles que soient les conditions de test spécifiées par le fabricant. Ce n'est PAS non plus une sortie à pleine puissance. Cela signifie simplement Vout = Vin à une valeur bien inférieure à la pleine puissance.

Un transistor avec un hFE de 100 à 100 KHZ et une oscillation à pleine tension peut produire 1 volt pp à 1 MHZ, avec une entrée 1 volt pp. C'est le mieux qu'il puisse faire.

Le terme "gain unitaire" est un peu trompeur car il implique un gain utilisable, mais en vérité son gain a atteint sa limite. Pour une sortie pleine puissance avec gain déclaré, prenez 10% du gain unitaire comme point de départ.

Certains fabricants entrent dans des détails élaborés avec des graphiques pour le gain en fonction de la fréquence et de la charge, etc.

Essayez ce circuit à transistors

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Avec une sonde de portée 10X standard sur Vout (13pF ou plus), vous aurez une bande passante d'environ 3 nanosecondes (50000000 Hertz). Ajustez R9 pour contrôler la ligne de base de la tension de sortie.

Vous pouvez augmenter R3 à 220 ou 330 ou 430 ohms; aux valeurs de résistance plus élevées, la capacité de la base du collecteur augmentera lorsque Vout sera proche de 1,0 V et vous verrez une décantation plus lente. Il en résulte un comportement non linéaire à haute fréquence (distorsion 2e harmonique) et vous obtiendrez une intermodulation somme / différence. Avec seulement 4 bits, je doute que ce soit un problème pour vous. Mais vous pouvez augmenter l'échelle de quelques résistances supplémentaires, à 6 ou 8 bits, et alimenter avec des formes d'ondes de somme de péché prédéfinies, puis examiner la FFT sur un oscilloscope ou un analyseur de spectre.

Amélioration des performances: si vous pouvez polariser le bas des 2 résistances: R1 et R9, à -0,2 volts, votre linéarité s'améliorera, probablement détectable pour les gros #bits. Notez que le chargement sur les lignes d'entrée logique n'est pas cohérent, ce qui produit également des non-linéarités.

L'utilisation d'une direction de courant différentiel, peut-être avec des sources de courant bipolaires et des commutateurs à diodes utilisés pour diriger, réduit la non-linéarité. À un moment donné, vous avez construit un DAC08 de Precision Monolithics Corp, mais avec une bande passante de 20 MHz à 50 MHz. Examinez cette fiche technique.

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