Чому цей підсилювач LM324 не може відтворити сигнал вище певної частоти?

Здається, не існує дефіциту таких схем, які намагаються використовувати R2R як ЦАП та оп. підсилювач як вихідний буфер. Вони мають для мене сенс, тому я вирішив спробувати і сконструювати.

Я сконструював трохи простішу схему

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Ця схема використовує одиночний підсилювач з LM324, що працює на коефіцієнт підсилення. Інші 3 в упаковці залишаються без з'єднання. Приводиться в дію від +12 В постійного струму на позитивній рейці, що надходить від живлення на стенді.

Резистори "4,4 к" (2R) - це справді лише два резистори 2.2k послідовно.

D1-D4 працює на atmega328p за допомогою прямого цифрового синтезатора, який я написав. Я не буду говорити про це багато, але мікроконтролер працює від +5 В постійного струму, тому кожен рядок або 0, або 5 В постійного струму.

R13, Q1 і R14 були просто таким чином, що ланцюг рухав якоюсь реальною навантаженням у світі. Транзистор діє як інвертуючий підсилювач.

Я спочатку опустив R10 та R12. Я отримав такий вихід.

• CH1 - жовтий - вихід ЦАП
• CH2 - синій - вихід оп. підсилювач

З цією частотою це було досить розумно.

• CH1 - жовтий - вихід ЦАП
• CH2 - синій - вихід оп. підсилювач

Це досить несподівано створює трикутну хвилю зі зміщенням фази.

У цей момент я додав R10 і R12.

• CH1 - жовтий - неінвертуючий вхід оп. підсилювач
• CH2 - синій - вихід оп. підсилювач

Це розрізало вихідну напругу навпіл, але призвело до більш точного виходу. Ця різниця теоретично може бути компенсована за допомогою виграшу в оп. підсилювач

Однак він все ще не працює на більш високих частотах.

• CH1 - жовтий - неінвертуючий вхід оп. підсилювач
• CH2 - синій - вихід оп. підсилювач

У цьому випадку вона не тільки виробляє фазову трикутну хвилю, але насправді ніколи не досягає +2,5 В постійного струму або повертається до землі.

Ось фізичний знімок налаштування:

Оскільки я використовую джемперні дроти та дошки, повинна бути деяка верхня межа практичної частоти, яку мій ЦАП може виробляти. Однак ~ 60 КГц, на який ми вказуємо, не повинно бути великою проблемою. Лист даних для LM324, здається, передбачає, що 1 МГц - це практична верхня межа для оп. підсилювач при виграші єдності. Показана форма сигналу виходу схожа на транзистори всередині оп. підсилювач є насиченим або подібним ефектом. Я недостатньо знаю про операційні підсилювачі.

Чи є зміни, які я можу внести в свою схему, щоб отримати точне відтворення вхідного сигналу на виході змінного струму від постійного струму до 60 кГц?

Лист даних, на який я дивився LM324:

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

Здається, ви наштовхуєтесь на обмеження швидкості холостого ходу, і ваш висновок представляє те, що називається " Поворот, викликане спотворенням " - вихідний поворот Op-Amp обмежений частотою нахилу, тому що частота збільшує обмеження для максимальної розгорнутої потужності без " Спотворення, спричинене спадом", зменшується - як правило, на аркуші "Операційні ампери" є графік " Розгортка виходу проти частоти ".

Попросіть поглянути на малюнку 6 з LM324 Datasheet , і де ваш сигнал на графіку в відповідно до галузі захоплень ви розділяються (див . Нижче) В ідеалі ви хочете залишитися "під кривою".

Якщо ви хочете дізнатися більше про швидкість холостого ходу, подивіться серію «Швидкість холостості» в лабораторіях «Прецизійна підготовка для Op Amps» .

LM324 - це стара і повільна OPA. Він має обмежену "швидкість нахилу", не більше 0,5 В / нас, що не дозволяє стежити за великими змінами сигналу амплітуди швидше, ніж 1 МГц, як ви виявили це у власному експерименті.

Ви нічого не можете зробити, щоб поліпшити частоту скорочення. Вам потрібно придбати більш швидкий робочий підсилювач.

Спробуйте скористатися цією табличкою .
Див. Таблицю 6.8 - Умови експлуатації на сторінці 7.
Першим параметром у таблиці є "Швидкість спаду при посиленні одиниці".
Це говорить вам про те, як швидко може виходити вихід операційного підсилювача, і для цього LM324 це 0,5 В / мкс - і це майже без навантаження (1MΩ || 30pF).

З ваших вимірювань обсягу виглядає так, що ви бачите від 0,2 до 0,25 В / мкс - не зовсім розумно з навантаженням.

Загальне правило полягає в тому, що повна ширина смуги частот (верхня межа) підсилювачів (близько верхньої межі) становить приблизно 10% або менше частоти посилення єдності. Подумай над цим.

Коефіцієнт виграшу єдності означає, що ви досягли частоти, коли коефіцієнт посилення дорівнює в кращому випадку одиниці, за будь-яких умов тесту, які виробляє. Це також НЕ повна потужність. Це просто означає Vout = Vin за деякою вартістю набагато меншою, ніж повна потужність.

Транзистор з коефіцієнтом hFE 100 при 100 кГц і повною напругою коливання може виводити 1 вольт на pp при 1 МГц, з входом 1 вольт на pp. Це найкраще, що можна зробити.

Термін "Виграш Єдності" трохи вводить в оману, оскільки він передбачає корисний прибуток, але насправді його прибуток досяг своєї межі. Для повного виходу потужності з заявленим коефіцієнтом посилення приймайте 10% коефіцієнта підсилення в єдності як вихідну точку.

Деякі виробники розробляють детальні деталі з діаграмами на коефіцієнт посилення та частоти та навантаження тощо.

Спробуйте цю схему транзистора

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

За допомогою стандартного 10-кратного датчика на Vout (13pF або близько того) ви матимете пропускну здатність приблизно 3 наносекунди (50 000 000 Герц). Відрегулюйте R9 для управління базовою лінією вихідної напруги.

Ви можете збільшити R3 до 220 або 330 або 430 Ом; при більш високих значеннях опору, ємність на базі Колектора зросте, коли Vout буде близько 1,0 В, і ви побачите повільніше осідання. Таким чином, виникає високочастотна нелінійна поведінка (2-е гармонічне спотворення), і ви отримаєте суммо / різницю інтермодуляції. Маючи лише 4 біти, я сумніваюся, це стане для вас проблемою. Але ви можете збільшити ще кілька резисторів, до 6 або 8 біт, і подавати заздалегідь консервовані форми сигналів суми гріха, а потім вивчити FFT на діапазоні або аналізаторі спектра.

Підвищення продуктивності: якщо ви зможете змістити нижню частину двох резисторів: R1 і R9, до -0,2 вольт, то ваша лінійність покращиться, ймовірно, виявляється для великих # біт. Зверніть увагу, що завантаження в рядках логічного введення не є послідовним, і це також призводить до нелінійності.

Використання диференціального керування струмом, можливо, з біполярними джерелами струму та діодними перемикачами, що використовуються для керування, зменшує нелінійність. У якийсь момент ви дорого побудували DAC08 від Precision Monolithics Corp, але з пропускною здатністю від 20 МГц до 50 МГц. Вивчіть цей аркуш.

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