Các yếu tố hạn chế của các op-amps là gì?

Tôi đã thiết kế một bộ lọc thông qua nhiều thông tin phản hồi

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

Hạn chế thiết kế là tôi phải sử dụng bộ khuếch đại hoạt động một nguồn cung cấp .

Tính toán đã được đưa ra khỏi Op-Amps cho mọi người và tôi đã nhận được kết quả mong muốn với hai opamp : OP27 và OP355NA

Điểm cần lưu ý:

• Đã thử nhiều op-amp JFE như được liệt kê dưới đây
• Sử dụng op-amp lý tưởng để kiểm tra tính toán có chính xác không

Mạch dưới đây được xây dựng và thử nghiệm trên cả phần mềm Proteus và LTSpice. Cả hai đều cho kết quả như nhau, được mong đợi.

Thiết kế mạch :

Phân tích tương tự (Tăng 2, tập trung vào khoảng 2,5V)

Đáp ứng tần số (Center Fre ở 100kHz)

Vấn đề là những bộ phận này có thể là bề mặt gắn kết (OP355NA) hoặc rất đắt tiền (OP27). Tôi không đủ khả năng trả hơn 20 đô la cho một op-amp.

Đây là những ampe đơn ray tôi có sẵn theo ý của tôi, và không ai trong số chúng hoạt động như mong đợi!

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

Tôi sẽ sử dụng TL071 và TL074 để mô phỏng từ bây giờ.

Tất cả các op-amps đều cho kết quả rất giống nhau, đầu ra sau đây là từ TL071 , được thử nghiệm trên cả Proteus và LTSpice. Ở đây, tôi trình bày phiên bản LTSpice.

Phân tích tương tự

(Giảm điện áp pp)

Phản hồi thường xuyên

(Tần số trung tâm dịch chuyển sang trái)

Có thể thấy, mức tăng không chính xác và tần số trung tâm được dịch chuyển sang trái. Đây là một chủ đề định kỳ cho TẤT CẢ các op-amps tôi có sẵn.

Tôi biết rằng các op-amps được liệt kê ở trên đều khác nhau, nhưng tất cả chúng đều có thể cung cấp một đỉnh đầu ra cho điện áp cực đại 1V ở 100kHz. Các biểu đồ đặc trưng sau đây dành cho TL071 và TL074, cả hai đều cho cùng một phản hồi không chính xác .

Băng thông đạt được tiện ích là 3 MHz.

Chắc chắn tôi đang thiếu một số đặc điểm kỹ thuật quan trọng, mà tôi không xem xét, nhưng tôi thấy rất lạ là không có op-amps nào ở trên hoạt động đúng cho nhiệm vụ hiện tại của tôi.

1. Tại sao tôi có thể đạt được kết quả chính xác với OP27 (GBW = 8 MHz) mà không phải với Tl074 hoặc Tl 081 ?

BIÊN TẬP:

Nhờ những bình luận và câu trả lời hữu ích, có vẻ như tôi đã đánh giá thấp các yêu cầu mạch của mình - Chủ yếu là sự suy giảm từ tỷ lệ kháng đầu vào (40dB)

Có vẻ như bạn đang cố gắng để có được Q khoảng 20-40, chỉ cần nhìn nó, vì vậy GBW sẽ phải cao hơn nhiều so với tần số trung tâm, và tốt nhất là 5-10x, giống như 10-40 MHz .

1. Tại sao tôi có Q khoảng 20-40? Không phải là Q (tần số trung tâm / BW) hoặc 100k / 10k (= 10) trong trường hợp của tôi.
2. Ngoài ra, tại sao GBW của tôi phải ở khoảng 5-10 lần tần số trung tâm? Có bất kỳ tính toán nào người ta nên tham khảo hoặc bất cứ điều gì của loại?

Có vẻ như bạn đang cố gắng để có được Q khoảng 20-40, chỉ cần nhìn nó, vì vậy GBW sẽ phải cao hơn nhiều so với tần số trung tâm, và tốt nhất là 5-10x, giống như 10-40 MHz .

"Sự suy giảm" mà người khác đang nói đến là tỷ lệ điện trở mà bạn cần để có Q cao đó vì vậy tôi không nghĩ bạn có thể tránh điều đó.

Tôi đồng ý với Tim; không làm giảm tín hiệu đầu vào nhiều không cần thiết.

Sau đó, sự lựa chọn duy nhất của bạn là thứ gì đó có mức tăng nhiều hơn ở khoảng 100 kHz.

May mắn thay, tất cả các opamp bạn đã thử nghiệm đều có băng thông khá thấp (một số trong số chúng đã hơn 40 tuổi). Với các lựa chọn thay thế băng thông tăng 10 MHz, có lẽ bạn sẽ khá ổn:

Ví dụ, TL972 sẽ ổn cho ứng dụng này và có thể có (giao hàng miễn phí) $ 0,67 mỗi người tại các nhà phân phối có uy tín . Nhưng đó không phải là đầu vào JFE - sự nghi ngờ của tôi là bạn không thực sự quan tâm miễn là dòng điện đầu vào đủ thấp.

Rrz0 .... hãy để tôi trả lời hai câu hỏi cuối cùng của bạn:

(1) Nếu sản phẩm băng thông khuếch đại không đủ lớn, bạn sẽ có thêm pha (opamp gây ra). Tác dụng tiêu biểu: Tăng cường Q không mong muốn. Sự dịch chuyển pha bổ sung làm giảm biên độ pha và sẽ dịch chuyển cực xa hơn đến trục tưởng tượng - giúp mở rộng cực-Q (giống hệt với băng thông-Q).

(2) Khi GBW là 10 MHz, mức tăng vòng lặp mở ở 100kHz sẽ là ứng dụng. 40 dB (100). Điều này là không đủ. Tuy nhiên, tất cả các tính toán được dựa trên một opamp IDEAL mà không có bất kỳ sự thay đổi pha không mong muốn nào, xem nhận xét của tôi ở trên dưới (1). Thậm chí một sự thay đổi pha thêm 5 độ. sẽ gây ra sự tăng cường Q nghiêm trọng.

(3) Xin lưu ý rằng cấu trúc liên kết bộ lọc được chọn rất nhạy cảm với dữ liệu opamp không lý tưởng (vì nó dựa trên mức tăng của vòng lặp mở). Có các cấu trúc bộ lọc khác (dựa trên Sallen-Key hoặc GIC) ít nhạy cảm hơn với các tham số opamp không lý tưởng.

(4) Điều đáng nói là bạn sẽ KHÔNG bắt buộc phải sử dụng cái gọi là "opamp cung cấp đơn". Tất cả các opamp có thể được vận hành chỉ với một điện áp cung cấp duy nhất. Dữ liệu quan trọng nhất: GBW (càng lớn càng tốt) và tốc độ quay đủ (hoạt động tín hiệu lớn).

CHỈNH SỬA / CẬP NHẬT

Bài viết sau đây chứa một cách xử lý toán học cho ảnh hưởng của mức tăng vòng hở hữu hạn và tần số đối với mạch băng thông MFB.

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

Kết quả : Hệ số 100 giữa GBW và tần số cực đại thiết kế dẫn đến độ lệch tần số của ứng dụng. 15% ( hiệu chỉnh từ 85 đến 15%)

Đây là một cuộc thảo luận trước về các bộ lọc bandpass. Câu trả lời bằng cách sử dụng công cụ Signal Chain Explorer trình bày các hiệu ứng của các Opamp Băng thông Unity Gain khác nhau.

Mô phỏng và xây dựng bộ lọc Band-Pass nhiều phản hồi

Tôi đã nhận được một số nhận xét và câu trả lời tuyệt vời cho câu hỏi của mình, tuy nhiên tôi muốn thêm những gì tôi quản lý để nắm bắt từ các câu trả lời khác nhau và một số sách giáo khoa trong một câu trả lời. Các thông tin dưới đây đã giúp tôi giải quyết các vấn đề trong tay.

$Q$$A_v$$f_m$

$A_v= -2Q^2$$Q = 10$$200$$A_v$$Q$

$100$

Ngoài ra, tại sao GBW của tôi phải ở khoảng 5-10 lần tần số trung tâm? Có bất kỳ tính toán nào người ta nên tham khảo hoặc bất cứ điều gì của loại?

Thông thường, một hệ số an toàn (sf) trong khoảng từ 5 đến 10 được đưa vào để giữ độ ổn định cao và độ méo thấp.

Để tính GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Do đó GBW nên nằm trong phạm vi 50-100 MHz.

Không thể sử dụng loại bộ lọc này cho công việc tần số cao, Q cao, vì các ampe kế tiêu chuẩn sẽ sớm hết hơi nước. Khó khăn này sang một bên, lợi nhuận cao được tạo ra bởi các giá trị vừa phải cho Q cũng có thể không thực tế. Do đó, chúng ta phải làm giảm tín hiệu đầu vào.

$A_v=-2$$Q=10$

Chúng tôi suy giảm theo tỷ lệ điện trở là 100 (R7 / R5) để bù cho điều này.

Chắc chắn tôi đang thiếu một số đặc điểm kỹ thuật quan trọng, mà tôi không xem xét, nhưng tôi thấy rất lạ là không có op-amps nào ở trên hoạt động đúng cho nhiệm vụ hiện tại của tôi.

$40dB$$6dB$

Như @Markus Müller đã chỉ ra, tôi đã sử dụng op-amps cổ đại. Có nhiều sự thay thế tốt hơn như TL972 .

Như @LvW đề cập, khi băng thông khuếch đại không đủ lớn, đáp ứng tần số trải qua một sự thay đổi pha. Ngoài ra, được đề cập chính xác là thực tế là "cấu trúc liên kết bộ lọc được chọn rất nhạy cảm với dữ liệu opamp không lý tưởng (vì nó dựa trên mức tăng vòng lặp mở)."

Ở đây tôi cung cấp một đoạn trích từ Opamp cho mọi người .

$100$$100$