Tại sao op amp LM324 này không thể tái tạo tín hiệu trên một tần số nhất định?

Dường như không thiếu các mạch như thế này khi cố gắng sử dụng R2R làm DAC và op. amp. như một bộ đệm đầu ra. Những điều này có ý nghĩa với tôi vì vậy tôi quyết định thử và xây dựng một cái.

Tôi xây dựng một mạch đơn giản hơn một chút

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Mạch này sử dụng một op op duy nhất từ ​​LM324 hoạt động ở mức tăng đơn nhất. 3 cái còn lại trong gói không được kết nối. Nó được điều khiển từ +12 VDC trên đường ray dương xuất phát từ nguồn cung cấp năng lượng.

Các điện trở "4,4k" (2R) thực sự chỉ là hai điện trở 2,2k nối tiếp.

D1-D4 đang chạy trên atmega328p bằng cách sử dụng bộ tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp không thể bỏ qua mà tôi đã viết. Tôi sẽ không nói nhiều về điều đó, nhưng vi điều khiển chạy từ +5 VDC nên mỗi dòng là 0 hoặc 5 VDC.

R13, Q1 và R14 chỉ để mạch chạy một số loại tải trong thế giới thực. Các bóng bán dẫn đang hoạt động như một bộ khuếch đại đảo ngược.

Ban đầu tôi đã bỏ qua R10 và R12. Tôi có đầu ra như thế này.

• CH1 - màu vàng - đầu ra của DAC
• CH2 - màu xanh - đầu ra của op. amp.

Ở tần số này là khá hợp lý.

• CH1 - màu vàng - đầu ra của DAC
• CH2 - màu xanh - đầu ra của op. amp.

Điều này khá bất ngờ tạo ra một sóng tam giác chuyển pha.

Lúc này tôi đã thêm R10 và R12.

• CH1 - màu vàng - đầu vào không đảo của op. amp.
• CH2 - màu xanh - đầu ra của op. amp.

Điều này cắt giảm một nửa điện áp đầu ra, nhưng dẫn đến đầu ra chính xác hơn. Sự khác biệt đó về mặt lý thuyết có thể được tạo thành bằng cách sử dụng gain trong op. amp.

Tuy nhiên nó vẫn không hoạt động ở tần số cao hơn.

• CH1 - màu vàng - đầu vào không đảo của op. amp.
• CH2 - màu xanh - đầu ra của op. amp.

Trong trường hợp này, nó không chỉ tạo ra sóng tam giác pha, mà thực sự nó không bao giờ thực hiện được tới +2,5 VDC hoặc trở về mặt đất.

Đây là một bức ảnh vật lý của thiết lập:

Vì tôi đang sử dụng dây nhảy và bảng mạch, nên có một số giới hạn trên đối với tần số thực tế mà bộ DAC của tôi có thể tạo ra. Tuy nhiên, ~ 60 KHz phạm vi của tôi cho thấy không nên có vấn đề gì. Bảng dữ liệu cho LM324 dường như gợi ý rằng 1 MHz là giới hạn trên thực tế cho op. amp. tại sự thống nhất đạt được. Dạng sóng đầu ra được hiển thị giống như các bóng bán dẫn bên trong op. amp. được bão hòa hoặc một hiệu ứng tương tự. Tôi không biết đủ về các bộ khuếch đại hoạt động.

Có sự thay đổi nào tôi có thể thực hiện đối với mạch của mình để có được sự tái tạo chính xác tín hiệu đầu vào ở đầu ra op amp từ DC đến 60 kHz không?

Bảng dữ liệu tôi đang tìm kiếm LM324:

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

Có vẻ như bạn đang chạy vào Giới hạn tốc độ quay và đầu ra của bạn đang trình bày cái gọi là ' Biến dạng cảm ứng xoay ' - Xoay đầu ra của Op-Amp bị giới hạn bởi Tốc độ quay, do đó tần số tăng giới hạn cho dao động đầu ra tối đa mà không có ' Biến dạng xoay tròn ' giảm - điển hình là Bảng dữ liệu Op Amps có âm mưu ' Đầu ra xoay so với tần số '.

Hãy nhìn vào Hình 6 của Bảng dữ liệu LM324 và nơi tín hiệu của bạn nằm trong âm mưu theo phạm vi chụp bạn đã chia sẻ (xem bên dưới). Lý tưởng nhất là bạn muốn ở lại "dưới đường cong".

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về Slew Rate, hãy xem loạt bài 'Tốc độ quay' trong Phòng thí nghiệm chính xác để đào tạo Op Amps .

LM324 là một OPA cũ và chậm. Nó có "tốc độ xoay" giới hạn, không quá 0,5 V / chúng tôi, không cho phép theo dõi tín hiệu biên độ lớn thay đổi nhanh hơn 1 MHz, như bạn đã tìm thấy điều này trong thí nghiệm của riêng bạn.

Bạn không thể làm gì để cải thiện tốc độ quay. Bạn cần phải mua một bộ khuếch đại hoạt động nhanh hơn.

Hãy thử bảng dữ liệu này thay thế.
Tham khảo Bảng 6.8 - Điều kiện hoạt động ở trang 7.
Tham số đầu tiên trong bảng là "Tốc độ xoay khi đạt được sự thống nhất".
Điều này cho bạn biết tốc độ đầu ra của opamp có thể di chuyển nhanh như thế nào và đối với LM324 này là 0,5V / ss - và đó hầu như không tải (1M| | | 30pF).

Từ các phép đo phạm vi của bạn, có vẻ như bạn đang thấy khoảng 0,2 đến 0,25V / s - không hoàn toàn không hợp lý với tải.

Nguyên tắc chung là băng thông công suất đầy đủ của op-amps (giới hạn trên) là khoảng 10% hoặc ít hơn tần số đạt được sự thống nhất. Hãy suy nghĩ về nó.

Độ lợi đơn vị có nghĩa là bạn đã đạt được tần suất trong đó mức tăng tương đương với một mức tối đa, trong bất kỳ điều kiện thử nghiệm nào mà nhà sản xuất chỉ định. Đây cũng không phải là một đầu ra sức mạnh đầy đủ. Nó đơn giản có nghĩa là Vout = Vin ở một giá trị nào đó ít hơn nhiều so với toàn bộ sức mạnh.

Một bóng bán dẫn có hFE 100 ở 100 KHZ và xoay điện áp đầy đủ có thể tạo ra 1 volt pp ở 1 MHZ, với đầu vào pp 1 volt. Đó là điều tốt nhất nó có thể làm.

Thuật ngữ "Unity gain" là một chút sai lệch bởi vì nó ngụ ý lợi ích có thể sử dụng được, nhưng trên thực tế, lợi ích của nó đã đạt đến giới hạn. Đối với sản lượng điện đầy đủ với mức tăng đã nêu, lấy 10% mức tăng thống nhất làm điểm bắt đầu.

Một số nhà sản xuất đi sâu vào các chi tiết phức tạp với các biểu đồ để tăng so với tần số và tải, v.v. Đọc các chi tiết đó nếu chúng nằm trên biểu dữ liệu và chúng sẽ giúp làm rõ nơi bạn có thể mong đợi mức tăng có thể sử dụng được ở toàn bộ sức mạnh - hoặc không.

Hãy thử mạch bóng bán dẫn này

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Với đầu dò phạm vi 10X tiêu chuẩn trên Vout (13pF hoặc hơn), bạn sẽ có băng thông khoảng 3 nano giây (50.000.000 Hertz). Điều chỉnh R9 để điều khiển đường cơ sở điện áp đầu ra.

Bạn có thể tăng R3 lên 220 hoặc 330 hoặc 430 ohms; ở các giá trị điện trở cao hơn, điện dung Collector-base sẽ tăng khi Vout ở gần 1.0v và bạn sẽ thấy độ lắng chậm hơn. Do đó, kết quả hành vi phi tuyến tính tần số cao (méo sóng hài bậc 2) và bạn sẽ nhận được sự xen kẽ tổng / chênh lệch. Chỉ với 4 bit, tôi nghi ngờ đây sẽ là một vấn đề cho bạn. Nhưng bạn có thể mở rộng thêm một vài điện trở, thành 6 hoặc 8 bit và cung cấp các dạng sóng tổng hợp được đóng hộp trước và sau đó kiểm tra FFT trên máy phân tích phạm vi hoặc Spectrum.

Cải thiện hiệu suất: nếu bạn có thể thiên vị đáy của 2 điện trở: R1 và R9, đến -0,2 volt, thì độ tuyến tính của bạn sẽ được cải thiện, có khả năng phát hiện được đối với #bits lớn. Lưu ý việc tải trên các dòng Đầu vào logic là không nhất quán và điều này cũng tạo ra NonLinearities.

Sử dụng hệ thống lái dòng điện vi sai, có lẽ với các nguồn dòng lưỡng cực và công tắc diode được sử dụng để điều khiển, làm giảm tính phi tuyến. Tại một số thời điểm, bạn đã xây dựng rộng rãi một chiếc DAC08 từ Precision Monolithics Corp, nhưng với băng thông 20 MHz đến 50 MHz. Kiểm tra bảng dữ liệu đó.

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