Dlaczego ten wzmacniacz operacyjny LM324 nie może odtwarzać sygnału powyżej określonej częstotliwości?

Wydaje się, że nie brakuje takich obwodów, które próbują użyć R2R jako przetwornika cyfrowo-analogowego i op. amp. jako bufor wyjściowy. Ma to dla mnie sens, więc postanowiłem spróbować je zbudować.

Zbudowałem nieco prostszy obwód

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Obwód ten wykorzystuje pojedynczy wzmacniacz operacyjny z LM324 pracujący z wzmocnieniem jedności. Pozostałe 3 w pakiecie pozostają niepołączone. Jest zasilany z +12 VDC na szynie dodatniej, która pochodzi z zasilacza stołowego.

Rezystory „4.4k” (2R) to tak naprawdę tylko dwa rezystory 2,2k szeregowo.

D1-D4 działają na atmega328p, używając napisanego przeze mnie cyfrowego syntezatora wavetable. Nie będę o tym tyle mówił, ale mikrokontroler działa z +5 VDC, więc każda linia ma wartość 0 lub 5 VDC.

R13, Q1 i R14 były po prostu tak, że obwód napędzał jakieś rzeczywiste obciążenie świata. Tranzystor działa jak wzmacniacz odwracający.

Pierwotnie pominąłem R10 i R12. Mam takie wyjście.

• CH1 - żółty - wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego
• CH2 - niebieski - wyjście op. amp.

Przy tej częstotliwości było to całkiem rozsądne.

• CH1 - żółty - wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego
• CH2 - niebieski - wyjście op. amp.

To dość nieoczekiwanie wytwarza falę trójkątną przesuniętą w fazie.

W tym momencie dodałem R10 i R12.

• CH1 - żółty - nieodwracający wkład op. amp.
• CH2 - niebieski - wyjście op. amp.

To obniżyło napięcie wyjściowe o połowę, ale skutkowało bardziej dokładnym wyjściem. Tę różnicę teoretycznie można uzupełnić za pomocą wzmocnienia w op. amp.

Jednak nadal nie działa na wyższych częstotliwościach.

• CH1 - żółty - nieodwracający wkład op. amp.
• CH2 - niebieski - wyjście op. amp.

W tym przypadku nie tylko wytwarza fazową falę trójkątną, ale tak naprawdę nigdy nie dochodzi do +2,5 VDC ani z powrotem do ziemi.

Oto fizyczny strzał konfiguracji:

Ponieważ używam zworek i płyt chlebowych, powinna istnieć górna granica praktycznej częstotliwości, którą mój DAC może wytwarzać. Jednak ~ 60 KHz mój zakres nie powinien stanowić większego problemu. Karta danych dla LM324 wydaje się sugerować, że 1 MHz jest praktyczną górną granicą dla op. amp. na zysk jedności. Pokazany kształt fali wyjściowej wygląda jak tranzystory wewnątrz op. amp. są nasycone lub podobny efekt. Nie wiem wystarczająco dużo o wzmacniaczach operacyjnych.

Czy mogę wprowadzić zmiany w obwodzie, aby uzyskać dokładne odwzorowanie sygnału wejściowego na wyjściu wzmacniacza operacyjnego od prądu stałego do 60 kHz?

Arkusz danych, którego szukałem dla LM324:

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

Wygląda na to, że napotykasz ograniczenia prędkości opadania, a twój sygnał wyjściowy przedstawia to, co nazywa się „ zniekształceniem indukowanym przez szum ” - Swing wyjściowy wzmacniacza operacyjnego jest ograniczony przez prędkość opadania, więc gdy częstotliwość zwiększa limit maksymalnego wahania mocy wyjściowej bez „ narastania-Induced Distortion ” maleje - zazwyczaj Op Amp katalogowa mieć „ Wyjście Swing vs Częstotliwość ” działki.

Mają spojrzeć na rysunku 6 na LM324 Dane i gdzie sygnał jest na działce zgodnie z zakresem przechwytuje ty współdzielonych (patrz niżej). Idealnie byłoby pozostać „pod krzywą”.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Slew Rate, zapoznaj się z serią „Slew Rate” w szkoleniach Precision Labs for Op Amps .

LM324 to stara i wolna OPA. Ma ograniczoną „szybkość narastania”, nie większą niż 0,5 V / us, co nie pozwala na śledzenie zmian sygnału o dużej amplitudzie szybciej niż 1 MHz, jak stwierdzono w swoim własnym eksperymencie.

Nic nie możesz zrobić, aby poprawić szybkość zabijania. Musisz zdobyć szybszy wzmacniacz operacyjny.

Zamiast tego wypróbuj ten arkusz danych .
Patrz Tabela 6.8 - Warunki pracy na stronie 7.
Pierwszym parametrem w tabeli jest „Szybkość opadania przy wzmocnieniu jedności”.
Mówi ci to, jak szybko wyjście opampa może się poruszać, a dla tego LM324 wynosi 0,5 V / μs - i to prawie bez obciążenia (1MΩ || 30pF).

Z pomiarów zakresu wydaje się, że widzisz około 0,2 do 0,25 V / μs - nie jest to całkowicie nieuzasadnione przy obciążeniu.

Ogólna zasada jest taka, że ​​pełna szerokość pasma wzmacniaczy operacyjnych (górna granica) wynosi około 10% lub mniej częstotliwości wzmocnienia jedności. Pomyśl o tym.

Wzmocnienie jedności oznacza, że ​​osiągnięto częstotliwość, w której wzmocnienie jest w najlepszym razie równe jedności, niezależnie od warunków testowych określonych przez producenta. To NIE jest również pełna moc wyjściowa. Oznacza to po prostu Vout = Vin o wartości znacznie mniejszej niż pełna moc.

Tranzystor z hFE 100 przy 100 KHZ i pełnym wahaniu napięcia może wytwarzać 1 wolt pp przy 1 MHZ, z wejściem 1 wolt pp. To najlepsze, co może zrobić.

Termin „zysk jedności” jest nieco mylący, ponieważ implikuje zysk użyteczny, ale tak naprawdę jego zysk osiągnął swój limit. Aby uzyskać pełną moc wyjściową z określonym wzmocnieniem, należy przyjąć 10% wzmocnienia jedności jako punkt wyjścia.

Niektórzy producenci opracowują szczegółowe szczegóły z wykresami wzmocnienia w zależności od częstotliwości i obciążenia itp. Przeczytaj te szczegóły, jeśli znajdują się w arkuszu danych, a pomogą wyjaśnić, gdzie można oczekiwać użytecznego zysku przy pełnej mocy - lub nie.

Wypróbuj ten obwód tranzystorowy

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Ze standardową sondą 10-krotną w Vout (około 13pF) uzyskasz przepustowość około 3 nanosekund (50 000 000 herców). Dostosuj R9, aby kontrolować wyjściową wartość napięcia wyjściowego.

Możesz zwiększyć R3 do 220 lub 330 lub 430 omów; przy wyższych wartościach rezystancji pojemność podstawy kolektora wzrośnie, gdy Vout znajdzie się w pobliżu 1,0 V i zobaczysz wolniejsze osiadanie. W ten sposób powstaje nieliniowe zachowanie o wysokiej częstotliwości (zniekształcenie drugiej harmonicznej), a otrzymasz intermodulację suma / różnica. Mając tylko 4 bity, wątpię, że będzie to dla ciebie problem. Ale możesz skalować jeszcze kilka oporników, do 6 lub 8 bitów, i zasilać wstępnie przetworzonymi przebiegami sumy sinusoidów, a następnie zbadać FFT na analizatorze lunety lub spektrum.

Zwiększenie wydajności: jeśli możesz przesunąć spód 2 rezystorów: R1 i R9, do -0,2 woltów, wówczas twoja liniowość poprawi się, prawdopodobnie wykrywalna dla dużych bitów #. Zauważ, że ładowanie linii wejść logicznych nie jest spójne, a to również powoduje nieliniowości.

Korzystanie ze sterowania prądem różnicowym, być może z dwubiegunowymi źródłami prądu i przełącznikami diodowymi używanymi do sterowania, zmniejsza nieliniowość. W pewnym momencie drogo zbudowałeś DAC08 z Precision Monolithics Corp, ale z pasmem od 20 MHz do 50 MHz. Sprawdź ten arkusz danych.

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