Quais são os fatores limitantes desses amplificadores operacionais?

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Eu projetei um filtro de passagem de banda com vários comentários

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

As restrições de projeto são que eu devo usar um amplificador operacional de fornecimento único .

Os cálculos foram retirados dos amplificadores operacionais para todos , e obtive o resultado desejado com dois opamps: OP27 e OP355NA

Pontos a serem observados:

  • Tentei vários amplificadores operacionais JFET, conforme listado abaixo
  • Op-amp ideal usado para verificar se os cálculos estão corretos

O circuito abaixo foi construído e testado nos softwares Proteus e LTSpice. Ambos produzindo os mesmos resultados, que eram esperados.


Projeto de circuito :

insira a descrição da imagem aqui

Análise analógica (ganho de 2, centrado em torno de 2,5V)

insira a descrição da imagem aqui

Resposta de Freqüência (Freio Central a 100kHz)

insira a descrição da imagem aqui


O problema é que essas peças são montadas na superfície (OP355NA) ou muito caras (OP27). Não posso pagar mais de 20 dólares por um amplificador operacional.

Esses são os amplificadores operacionais de trilho único que tenho à minha disposição e nenhum deles funciona como esperado!

Eu vou estar usando TL071 e TL074 para simular a partir de agora um.

Todos os amplificadores operacionais estão produzindo um resultado muito semelhante, a seguinte saída é do TL071 , testado no Proteus e no LTSpice. Aqui, apresento a versão do LTSpice.

Análise Analógica

insira a descrição da imagem aqui (Diminuição da tensão pp)

Resposta de Freqüência

insira a descrição da imagem aqui (Frequência central deslocada para a esquerda)

Como pode ser visto, o ganho está incorreto e a frequência central é deslocada para a esquerda. Este foi um tema recorrente para TODOS os amplificadores operacionais disponíveis.

Eu sei que os amplificadores operacionais listados acima são todos diferentes, mas todos devem ser capazes de fornecer um pico de saída para pico de tensão de 1V a 100kHz. Os gráficos de características a seguir são para o TL071 e TL074, ambos com a mesma resposta incorreta .

A largura de banda de ganho de utilidade é de 3 MHz.

insira a descrição da imagem aqui

insira a descrição da imagem aqui


Certamente estou perdendo alguma especificação importante, que não estou levando em consideração, mas acho muito estranho que nenhum dos amplificadores operacionais acima funcione corretamente para a minha tarefa atual.

  1. Por que posso obter resultados corretos com OP27 (GBW = 8MHz) e não com Tl074 ou Tl 081 ?

EDITAR:

Graças aos comentários e respostas úteis, parece que subestimei meus requisitos de circuito - Principalmente a atenuação da taxa de resistência de entrada (40dB)

Parece que você está tentando obter um Q em torno de 20-40, apenas observando, então o GBW terá que ser muito mais alto que a frequência central e, de preferência, 5-10x, mais parecido com 10-40MHz .

  1. Por que eu tenho um Q em torno de 20-40? Não é Q a (frequência central / BW) ou 100k / 10k (= 10) no meu caso.
  2. Além disso, por que meu GBW deve estar em torno de 5 a 10 vezes a frequência central? Existem cálculos aos quais devemos nos referir ou algo do tipo?
rrz0
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Ω
2
A folha de dados TL071 começa literalmente com "SLOS080N - SETEMBRO DE 1978 - REVISADO EM JULHO DE 2017"; assim, é de 40 anos de idade agora :)
Marcus Müller
11
TL08xx: "SLOS081I - FEVEREIRO DE 1977 - REVISADO EM MAIO DE 2015", com quase 42 anos.
Marcus Müller
3
(oh, e em uma nota pessoal: pacotes SMD como SOIC não são realmente tão difícil de soldar, tente it.You'll como ele.)
Marcus Müller
11
brhans .... e daí? Você realmente acha que eles não podem ser usados ​​para aplicativos de fornecimento único?
LvW

Respostas:

5

Parece que você está tentando obter um Q em torno de 20-40, apenas observando, então o GBW terá que ser muito mais alto que a frequência central e, de preferência, 5-10x, mais parecido com 10-40MHz .

A "atenuação" de que os outros estão falando é a relação do resistor de que você precisa para obter um Q alto, de modo que não acho que possa evitar isso.

Spehro Pefhany
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11
Sim, foi isso que eu quis dizer. Obrigado. As pessoas não percebem o quão difícil é tirar as palavras do meu pensamento: D E sim, essa fonte de alta impedância era um arenque vermelho, se não completamente errado. Vai remover.
Marcus Müller
Dangit, você está certo, e minha resposta foi totalmente errada. Eu apenas apaguei.
Timwescott
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@ Sphro Pefhany, obrigado pela sua resposta. Como você conclui que estou tentando obter um Q em torno de 20-40? Não é Q a (frequência central / BW) ou 100k / 10k no meu caso. Além disso, como chegar a um GBW que é de 5 a 10 vezes a frequência central? Existe algum cálculo a que se deva referir ou algo do tipo?
rrz0
11
@ TimWescott, ele concluiu que eu queria um Q de cerca de 20-40, não? Além disso, é exatamente por isso que estou perguntando. Como alguém que não faz isso para sempre chega a uma conclusão semelhante.
rrz0
11
Se não, olhando para o circuito, você encontra o Q olhando para a resposta de frequência. Quando você faz isso para sempre, basta olhar. Quando você não faz isso desde sempre, coloca marcas de escala (reais ou virtuais) na resposta 3dB abaixo do pico e mede (ou globo ocular) a faixa de frequência entre elas. (Frequência central) / (largura de banda 3dB) é mais ou menos igual a Q.
TimWescott
2

Eu concordo com o Tim; não atenue desnecessariamente o sinal de entrada.

Então, sua única escolha é algo com mais ganho a cerca de 100 kHz.

Felizmente, todos os opamps que você testou têm uma largura de banda muito baixa (alguns deles têm mais de 40 anos). Com alternativas de produto com largura de banda de ganho de 10 MHz, você provavelmente deve estar bem:

Por exemplo, o TL972 deve ser bom para esta aplicação e pode ser adquirido por (frete grátis) $ 0,67 cada em distribuidores respeitáveis . Mas não é uma entrada JFET - minha suspeita é que você realmente não se importa, desde que a corrente de entrada seja baixa o suficiente.

Marcus Müller
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1

Rrz0 .... deixe-me responder suas duas últimas perguntas:

(1) Se o produto da largura de banda de ganho não for suficientemente grande, você terá uma mudança de fase adicional (causada por opamp). Efeito típico: aprimoramento indesejado de Q. A mudança de fase adicional reduz a margem de fase e desloca o polo mais para o eixo imaginário - o que aumenta o polo-Q (idêntico ao passa-banda-Q).

(2) Quando o GBW é 10MHz, o ganho de malha aberta a 100kHz será de aproximadamente. 40 dB (100). Isto não é suficiente. No entanto, todos os cálculos são baseados em um opamp IDEAL sem nenhuma mudança de fase indesejada, veja meu comentário acima em (1). Mesmo uma mudança de fase adicional de 5 graus. causará um severo aprimoramento de Q.

(3) Observe que a topologia de filtro selecionada é muito sensível aos dados opamp não ideais (porque é baseada no ganho de malha aberta). Existem outras estruturas de filtro (baseadas em Sallen-Key ou GIC) que são menos sensíveis a parâmetros opamp não ideais.

(4) Vale ressaltar que você NÃO precisará usar os chamados opamps de "fornecimento único". Todos os opamps podem ser operados apenas com uma única tensão de alimentação. Dados mais importantes: GBW (o maior possível) e taxa de giro suficiente (operação de sinal grande).

EDITAR / ATUALIZAR

O artigo a seguir contém um tratamento matemático para a influência do ganho de malha aberta finita e de frequência em um circuito de passagem de banda MFB.

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

Resultado : um fator de 100 entre o GBW e a frequência de pico do design leva a um desvio de frequência do aplicativo. 15% ( correção de 85 a 15%)

LvW
fonte
obrigado por responder minhas duas últimas perguntas. Desculpe esta pergunta básica, mas com relação ao ponto 4, se eu decidir usar o OP27, listado como um amplificador operacional de "fonte dupla", ainda seria capaz de operar com uma fonte de alimentação normal de 0-5 V. ? Se sim, por que não está listado como opamp de fornecimento único e duplo?
rrz0
Além disso, o OP27 possui apenas um GBW de 8MHz, mas funciona bem em simulação (ao contrário dos amplificadores operacionais testados com um GBW maior). Portanto, pode ser que, como você menciona no ponto 3, existem outros problemas maiores minhas caras circuito que não é o GBW mas os dados opamp não ideais
rrz0
Porque é do conhecimento básico que cada opamp pode ser operado com suprimento único ou duplo. A única diferença é o ponto de polarização DC. Alguns opamps são projetados para que a amplitude de saída (quase) atinja os limites do trilho de potência - e, portanto, sejam adequados - o melhor possível - para a operação de "fornecimento único". Esta é a única diferença.
LvW
Fiz uma simulação (PSpice) do seu circuito com o OP-27. Resultado: 89,4 kHz.
LvW
0

Aqui está uma discussão anterior sobre filtros passa-banda. A resposta usando a ferramenta Signal Chain Explorer apresenta os efeitos de vários Opamps do Unity Gain Bandwidth.

Simulando e criando um filtro passa-banda com vários comentários

analogsystemsrf
fonte
3
Isso faria um ótimo comentário, mas é uma resposta muito ruim. Sugira converter para um comentário e excluir a resposta. Como alternativa, por favor, expanda.
Scott Seidman
0

Recebi excelentes comentários e respostas à minha pergunta, mas gostaria de acrescentar o que consegui captar de diferentes respostas e vários livros de texto em uma única resposta. As informações abaixo me ajudaram a resolver meus problemas em questão.

QUMAvfm

UMAv=-2Q2Q=10200UMAvQ

100

Além disso, por que meu GBW deve estar em torno de 5 a 10 vezes a frequência central? Existem cálculos aos quais devemos nos referir ou algo do tipo?

Geralmente, um fator de segurança (sf) entre 5 e 10 é incluído para manter a estabilidade alta e a distorção baixa.

Para calcular o GBW:

GBW>sffoUMAv

GBW>sf100k102

Portanto, o GBW deve estar na faixa de 50 a 100 MHz.

Não é possível usar esse tipo de filtro para trabalhos de alta frequência e alto Q, pois os amplificadores operacionais comuns logo ficam sem vapor. Além dessa dificuldade, os altos ganhos produzidos por valores moderados mesmo para Q podem muito bem ser impraticáveis. Portanto, devemos atenuar o sinal de entrada.

UMAv=-2Q=10

Atenuamos por uma taxa de resistor de 100 (R7 / R5) para compensar isso.


Certamente estou perdendo alguma especificação importante, que não estou levando em consideração, mas acho muito estranho que nenhum dos amplificadores operacionais acima funcione corretamente para a minha tarefa atual.

40.dB6dB

Como @Markus Müller apontou, eu estava usando amplificadores operacionais antigos. Existem alternativas muito melhores, como o TL972 .

Como o @LvW menciona, quando o ganho de largura de banda não é grande o suficiente, a resposta de frequência sofre uma mudança de fase. Além disso, mencionado corretamente é o fato de que "a topologia de filtro selecionada é muito sensível aos dados opamp não ideais (porque é baseada no ganho de malha aberta)".


Aqui, forneço um trecho do Opamps for Everyone .

insira a descrição da imagem aqui

100100

rrz0
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Rrz0_um comentário adicional: Para valores Q maiores, é um método conhecido usar um pequeno feedback positivo (resistivo) além do caminho negativo do feedback RC. Esta extensão do clássico MFB-bandpass é devida a Deliyannis. Nesse caso, o ganho da banda média é apenas Am = 2 * SQRT (2) * Q - 1. Nesse caso, R5 é excluído.
LVW
Por um lado, em vez de "no meu caso, os capacitores são maiores por um fator de 100", você quer dizer menor, mas tudo bem. Sua resposta está próxima o suficiente para corrigir, mas você deve ter lido a seção 16.8.4, que aborda seus problemas. Ele sugere um GBW de aproximadamente 20 MHz no mínimo para o seu circuito (assumindo 1% de precisão necessária). E isso, é claro, está muito além de qualquer dos amplificadores operacionais que você estava vendo.
WhatRoughBeast
@WhatRoughBeast Sim, você está certo, corrigido. Me deparei com essa seção depois de iniciar meu design, em vez de antes como deveria ter sido. Obrigado pelas indicações.
rrz0