Quels sont les facteurs limitants de ces amplificateurs opérationnels?


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J'ai conçu un filtre passe-bande à rétroaction multiple

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

Les restrictions de conception sont que je dois utiliser un amplificateur opérationnel à alimentation unique .

Les calculs ont été supprimés des amplis opérationnels pour tout le monde et j'ai obtenu le résultat souhaité avec deux amplificateurs opérationnels: OP27 et OP355NA

Points à noter:

  • J'ai essayé plusieurs amplis opérationnels JFET comme indiqué ci-dessous
  • Ampli-op idéal utilisé pour vérifier que les calculs sont corrects

Le circuit ci-dessous a été construit et testé sur les logiciels Proteus et LTSpice. Les deux ont donné les mêmes résultats que ceux attendus.


Conception du circuit :

entrez la description de l'image ici

Analyse analogique (gain de 2, centré autour de 2,5 V)

entrez la description de l'image ici

Réponse en fréquence (Center Fre à 100 kHz)

entrez la description de l'image ici


Le problème est que ces pièces sont montées en surface (OP355NA) ou très chères (OP27). Je ne peux pas me permettre de payer plus de 20 dollars pour un ampli op.

Ce sont les amplis op single rail que j'ai à ma disposition, et aucun ne fonctionne comme prévu!

J'utiliserai TL071 et TL074 pour simuler à partir de maintenant.

Tous les amplificateurs opérationnels produisent un résultat très similaire, la sortie suivante provient de TL071 , testée à la fois sur Proteus et LTSpice. Ici, je présente la version LTSpice.

Analyse analogique

entrez la description de l'image ici (Tension diminuée pp)

Fréquence de réponse

entrez la description de l'image ici (Fréquence centrale décalée vers la gauche)

Comme on peut le voir, le gain est incorrect et la fréquence centrale est décalée vers la gauche. C'était un thème récurrent pour TOUS les amplis opérationnels dont je disposais.

Je sais que les amplis opérationnels répertoriés ci-dessus sont tous différents, mais ils devraient tous être en mesure de fournir une tension de sortie crête à crête de 1 V à 100 kHz. Les graphiques caractéristiques suivants concernent le TL071 et le TL074, qui donnent tous deux la même réponse incorrecte .

La bande passante à gain utilitaire est de 3 MHz.

entrez la description de l'image ici

entrez la description de l'image ici


Je manque sûrement des spécifications importantes, que je ne prends pas en considération, mais je trouve très étrange qu'aucun des amplificateurs opérationnels ci-dessus ne fonctionne correctement pour ma tâche actuelle.

  1. Pourquoi puis-je obtenir des résultats corrects avec OP27 (GBW = 8MHz) et pas avec Tl074 ou Tl 081 ?

ÉDITER:

Grâce aux commentaires et réponses utiles, il semble que j'ai sous-estimé les exigences de mon circuit - Principalement l'atténuation du rapport de résistance d'entrée (40 dB)

On dirait que vous essayez d'obtenir un Q d'environ 20-40, juste le globe oculaire, donc le GBW devra être beaucoup plus élevé que la fréquence centrale, et de préférence 5-10x, donc plus 10-40MHz .

  1. Pourquoi ai-je un Q d'environ 20-40? N'est-ce pas Q la (fréquence centrale / BW) ou 100k / 10k (= 10) dans mon cas.
  2. Aussi, pourquoi mon GBW devrait-il être d'environ 5 à 10 fois la fréquence centrale? Y a-t-il des calculs auxquels il faut se référer ou quelque chose du genre?

La résistance de 79,9 vraiment correcte pour la résistance étiquetée "80,4" dans votre schéma? Ω
TimWescott

2
La fiche technique TL071 commence littéralement par "SLOS080N - SEPTEMBRE 1978 - RÉVISÉ JUILLET 2017"; donc il a 40 ans maintenant :)
Marcus Müller

1
TL08xx: "SLOS081I - FÉVRIER 1977 - RÉVISÉ MAI 2015", soit près de 42 ans.
Marcus Müller

3
(oh, et sur une note personnelle: les packages SMD comme SOIC ne sont pas vraiment si difficiles à souder; essayez-le. Vous l'aimerez.)
Marcus Müller

1
brhans .... alors quoi? Pensez-vous vraiment qu'ils ne peuvent pas être utilisés pour des applications à alimentation unique?
LvW

Réponses:


5

On dirait que vous essayez d'obtenir un Q d'environ 20-40, juste le globe oculaire, donc le GBW devra être beaucoup plus élevé que la fréquence centrale, et de préférence 5-10x, donc plus 10-40MHz .

L '"atténuation" dont d'autres parlent est le rapport de résistance dont vous avez besoin pour obtenir ce Q élevé, donc je ne pense pas que vous puissiez éviter cela.


1
oui, c'est ce que je voulais dire. Merci. Les gens ne réalisent pas combien il est difficile de faire sortir les mots de ma pensée: D Et oui, cette source à haute impédance était un hareng rouge, voire complètement faux. Va supprimer.
Marcus Müller

Dangit, tu as raison, et ma réponse était entièrement fausse. Je viens de le supprimer.
TimWescott

1
@Spehro Pefhany merci pour votre réponse. Comment concluez-vous que j'essaie d'obtenir un Q d'environ 20-40? N'est-ce pas Q la (fréquence centrale / BW) ou 100k / 10k dans mon cas. De plus, comment obtenez-vous un GBW qui est 5-10x la fréquence centrale? Y a-t-il des calculs auxquels il faut se référer ou quelque chose du genre?
rrz0

1
@ TimWescott, il a conclu que je voulais un Q d'environ 20 à 40, non? Aussi, c'est exactement pourquoi je demande. Comment quelqu'un qui ne fait pas cela pour toujours peut-il arriver à une conclusion similaire.
rrz0

1
Si ce n'est pas en regardant le circuit, vous trouvez le Q en regardant la réponse en fréquence. Quand vous le faites depuis toujours, il vous suffit de regarder. Lorsque vous ne le faites pas depuis toujours, vous mettez des graduations (réelles ou virtuelles) sur la réponse à 3 dB du pic, puis vous mesurez (ou le globe oculaire) la plage de fréquences entre elles. (Fréquence centrale) / (bande passante 3dB) plus ou moins égal à Q.
TimWescott

2

Je suis d'accord avec Tim; n'atténuez pas trop le signal d'entrée.

Ensuite, votre seul choix est quelque chose avec plus de gain à environ 100 kHz.

Heureusement, tous les amplis-op que vous avez testés ont une bande passante assez faible (certains ont plus de 40 ans). Avec des alternatives de gain de bande passante de 10 MHz, vous devriez probablement être très bien:

Par exemple, le TL972 devrait être OK pour cette application et peut être acheté pour (livraison gratuite) 0,67 $ pièce chez des distributeurs réputés . Mais ce n'est pas une entrée JFET - je soupçonne que vous ne vous souciez pas vraiment tant que le courant d'entrée est suffisamment faible.


1

Rrz0 .... permettez-moi de répondre à vos deux dernières questions:

(1) Si le produit gain-bande passante n'est pas suffisamment grand, vous aurez un déphasage supplémentaire (causé par l'ampli op). Effet typique: amélioration Q indésirable. Le déphasage supplémentaire réduit la marge de phase et déplacera davantage le pôle vers l'axe imaginaire - ce qui agrandit le pôle-Q (identique au passe-bande-Q).

(2) Lorsque le GBW est à 10 MHz, le gain en boucle ouverte à 100 kHz sera appliqué. 40 dB (100). Ce n'est pas suffisant. Cependant, tous les calculs sont basés sur un ampli op IDÉAL sans aucun déphasage indésirable, voir mon commentaire ci-dessus sous (1). Même un déphasage supplémentaire de 5 degrés. entraînera une grave amélioration de Q.

(3) Veuillez noter que la topologie de filtre sélectionnée est très sensible aux données d'opamp non idéales (car elle est basée sur le gain en boucle ouverte). Il existe d'autres structures de filtre (Sallen-Key ou GIC) qui sont moins sensibles aux paramètres opamp non idéaux.

(4) Il convient de mentionner que vous ne serez PAS obligé d'utiliser des opamps dits "à alimentation unique". Tous les amplificateurs opérationnels ne peuvent fonctionner qu'avec une seule tension d'alimentation. Données les plus importantes: GBW (aussi grand que possible) et taux de balayage suffisant (fonctionnement à grand signal).

MODIFIER / METTRE À JOUR

L'article suivant contient un traitement mathématique de l'influence du gain en boucle ouverte finie et fréquentielle sur un circuit passe-bande MFB.

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

Résultat : un facteur de 100 entre le GBW et la fréquence de pointe de conception entraîne une déviation de fréquence de l'application. 15% ( correction de 85 à 15%)


merci d'avoir répondu à mes deux dernières questions. Excusez cette question de base, mais en ce qui concerne le point 4, si je décide d'utiliser OP27 qui est répertorié comme un ampli-op "double alimentation", serais-je toujours en mesure de fonctionner avec une alimentation 0-5 V normale. ? Si c'est le cas, pourquoi n'est-il pas répertorié comme un amplificateur opérationnel à alimentation simple et double?
rrz0

L'OP27 n'a également qu'un GBW de 8 MHz mais fonctionne bien sur la simulation (contrairement aux amplis opérationnels testés avec un GBW plus important). Par conséquent, il se peut que, comme vous le mentionnez au point 3, il y a d'autres problèmes plus importants auxquels mon circuit est confronté, qui n'est pas le GBW mais les données d'opamp non idéales
rrz0

Parce que tout le monde sait que chaque ampli-tuner peut fonctionner avec une alimentation simple ou double. La seule différence est le point de polarisation CC. Certains amplificateurs opérationnels sont conçus pour que l'amplitude de sortie atteigne (presque) les limites du rail d'alimentation - et, par conséquent, sont adaptés - aussi bien que possible - pour un fonctionnement "à alimentation unique". Voilà la seule différence.
LvW

J'ai fait une simulation (PSpice) de votre circuit avec OP-27. Résultat: 89,4 kHz.
LvW


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J'ai obtenu d'excellents commentaires et réponses à ma question, mais je voudrais ajouter ce que j'ai réussi à saisir à partir de différentes réponses et de plusieurs manuels dans une seule réponse. Les informations ci-dessous m'ont aidé à résoudre mes problèmes.

QUNEvFm

UNEv=-2Q2Q=dix200UNEvQ

100

Aussi, pourquoi mon GBW devrait-il être d'environ 5 à 10 fois la fréquence centrale? Y a-t-il des calculs auxquels il faut se référer ou quelque chose du genre?

Habituellement, un facteur de sécurité (sf) compris entre 5 et 10 est inclus afin de maintenir la stabilité élevée et la distorsion faible.

Pour calculer la GBW:

gBW>sFFoUNEv

gBW>sF100k102

Par conséquent, GBW devrait être dans la plage de 50 à 100 MHz.

Il n'est pas possible d'utiliser ce type de filtre pour un travail à haute fréquence et à haute qualité, car les amplificateurs opérationnels standard «s'épuisent rapidement». Cette difficulté mise à part, les gains élevés produits par des valeurs même modérées de Q pourraient bien ne pas être pratiques. Il faut donc atténuer le signal d'entrée.

UNEv=-2Q=dix

Nous atténuons par un rapport de résistance de 100 (R7 / R5) pour compenser cela.


Je manque sûrement des spécifications importantes, que je ne prends pas en considération, mais je trouve très étrange qu'aucun des amplificateurs opérationnels ci-dessus ne fonctionne correctement pour ma tâche actuelle.

40B6B

Comme l'a souligné @Markus Müller, j'utilisais d'anciens amplificateurs opérationnels. Il existe une bien meilleure alternative, comme le TL972 .

Comme le mentionne @LvW, lorsque la largeur de bande de gain n'est pas suffisamment grande, la réponse en fréquence subit un décalage de phase. En outre, le fait que "la topologie de filtre sélectionnée est très sensible aux données d'opamp non idéales (car elle est basée sur le gain en boucle ouverte)" est correctement mentionné.


Ici, je fournis un extrait d' Opamps pour tout le monde .

entrez la description de l'image ici

100100


1
Commentaire supplémentaire de Rrz0_one: pour des valeurs Q plus grandes, il est bien connu d'utiliser une petite rétroaction positive (résistive) en plus du chemin de rétroaction RC négatif. Cette extension de la bande passante MFB classique est due à Deliyannis. Dans ce cas, le gain de bande médiane est seulement Am = 2 * SQRT (2) * Q - 1. Dans ce cas, R5 est supprimé.
LvW

D'une part, au lieu de "dans mon cas, les condensateurs sont plus grands d'un facteur 100", vous voulez dire plus petits, mais c'est OK. Votre réponse est suffisamment proche pour être corrigée, mais vous devriez avoir lu la section 16.8.4, qui couvre vos problèmes. Il suggère un GBW d'environ 20 MHz minimum pour votre circuit (en supposant une précision de 1% requise). Et cela, bien sûr, est bien au-delà de tous les amplis opérationnels que vous regardiez.
WhatRoughBeast

@WhatRoughBeast Oui, vous avez raison, corrigé. Je suis tombé sur cette section après avoir commencé ma conception, au lieu d'avant comme il aurait dû l'être. Merci pour les pointeurs.
rrz0
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