Які обмежуючі фактори цих підсилювачів?

Я сконструював фільтр пропуску декількох смуг зворотного зв'язку

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

Обмеження дизайну полягають у тому, що я повинен використовувати операційний підсилювач з одним подачею .

Розрахунки були зняті з Op-Amps для всіх , і я отримав бажаний результат за допомогою двох opamps: OP27 та OP355NA

Бали до зауваження:

• Випробували кілька підсилювачів JFET, як зазначено нижче
• Використовується ідеальний підсилювач для перевірки правильності розрахунків

Наведена нижче схема була побудована і протестована як на програмному забезпеченні Proteus, так і на LTSpice. Обидва давали однакові результати, яких і очікували.

Дизайн схеми :

Аналоговий аналіз (коефіцієнт посилення 2, зосереджений навколо 2,5 В)

Частотна характеристика (центральна частота на 100 кГц)

Проблема полягає в тому, що ці деталі або поверхневі (OP355NA), або дуже дорогі (OP27). Я не можу дозволити собі заплатити більше 20 доларів за підсилювач.

Це підсилювачі одного рельса, які я маю у своєму розпорядженні, і жоден з них не працює як слід!

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

Я буду використовувати TL071 і TL074 для моделювання з цього моменту.

Всі підсилювачі виходять з дуже схожим результатом, наступний вихід із TL071 , протестований як на Proteus, так і на LTSpice. Тут я представляю версію LTSpice.

Аналоговий аналіз

(Знижена напруга в pp)

Частотна характеристика

(Середня частота зміщена вліво)

Як видно, посилення неправильне, а центральна частота зміщена вліво. Це було повторюваною темою для ВСІХ підсилювачів, які у мене є.

Я знаю, що перелічені вище підсилювачі різні, але всі вони повинні мати можливість забезпечити вихідний пік до пікової напруги 1 В при 100 кГц. Наступні характерні графіки стосуються TL071 та TL074, обидва вони дають однакову неправильну відповідь .

Пропускна здатність утиліти-виграш становить 3 МГц.

Напевно, я пропускаю якусь важливу специфікацію, яку я не беру до уваги, але мені здається дуже дивною, що жоден із перерахованих вище підсилювачів не працює належним чином для мого поточного завдання.

1. Чому я можу досягти правильних результатів за допомогою OP27 (GBW = 8 МГц), а не з Tl074 або Tl 081 ?

Редагувати:

Завдяки корисним коментарям та відповідям, схоже, я недооцінив свої вимоги до схеми - в основному ослаблення від коефіцієнта вхідного опору (40 дБ)

Схоже, ви намагаєтеся отримати Q приблизно 20-40, просто заплющивши його, тому GBW повинен бути набагато вище центральної частоти, а краще 5-10x, що більше, як 10-40МГц .

1. Чому в мене Q близько 20-40? Чи не Q (центральна частота / BW) або 100k / 10k (= 10) у моєму випадку.
2. Крім того, чому мій ГБВ повинен бути близько 5-10x середньої частоти? Чи є якісь розрахунки, на які слід звернутися, або щось подібне?

Схоже, ви намагаєтеся отримати Q приблизно 20-40, просто заплющивши його, тому GBW повинен бути набагато вище центральної частоти, а краще 5-10x, що більше, як 10-40МГц .

"Ослаблення", про яке говорять інші, - це коефіцієнт резистора, який вам потрібен, щоб отримати такий високий Q, тому я не думаю, що ви можете цього уникнути.

Я згоден з Тімом; не надто сильно послаблюйте вхідний сигнал.

Тоді ваш єдиний вибір - це щось із більшим посиленням на та близько 100 кГц.

На щастя, всі перевірені вами opamps мають досить низьку пропускну здатність (деяким з них більше 40 років). З альтернативними варіантами продуктової пропускної здатності 10 МГц, ви, мабуть, будете чудово:

Наприклад, для цього додатка TL972 має бути в порядку, і його можна отримати (безкоштовна доставка) 0,67 долара за штуку у відомих дистриб'юторів. Але це не вхід JFET - я підозрюю, що ви насправді не хвилюєтесь, поки вхідний струм є досить низьким.

Rrz0 .... дозвольте мені відповісти на ваші два останні запитання:

(1) Якщо коефіцієнт посилення пропускної здатності недостатньо великий, у вас буде додатковий (спричинений оппамом) фазовий зсув. Типовий ефект: небажане посилення Q. Додатковий фазовий зсув зменшує запас фази і змістить полюс далі до уявної осі - що збільшує полюс-Q (ідентичне смузі частот-Q).

(2) Коли ГБВ становить 10 МГц, додаток із відкритим контуром на 100 кГц буде застосовано. 40 дБ (100). Цього недостатньо. Однак усі розрахунки базуються на підсилювачі IDEAL без небажаного зсуву фази, дивіться мій коментар вище під (1). Навіть додатковий зсув фази 5 град. викличе сильне посилення Q.

(3) Зверніть увагу, що вибрана топологія фільтра дуже чутлива до неідеальних даних операційного підсилювача (оскільки вона базується на посиленні відкритого циклу). Існують і інші фільтруючі структури (на основі Саллен-ключа або GIC), які менш чутливі до параметрів неідеального оппаму.

(4) Варто зазначити, що від вас НЕ буде потрібно використовувати так звані операційні підсилювачі "одноразові поставки". Усі операційні підсилювачі можуть працювати тільки з однією напругою живлення. Найважливіші дані: GBW (наскільки це можливо) і достатня швидкість холостого ходу (велика робота сигналу).

РЕДАКТУВАННЯ / ОНОВЛЕННЯ

Наступний документ містить математичну обробку впливу кінцевого і частотного посилення з відкритим контуром на контур діапазону MFB.

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

Результат : Коефіцієнт 100 між GBW і проектною піковою частотою призводить до відхилення частоти додатка. 15% ( корекція від 85 до 15%)

Ось попередня дискусія про смугові фільтри. Відповідь за допомогою інструмента «Провідник ланцюгів сигналів» представляє ефекти різних наборів пропускної здатності Unity Gain.

Моделювання та побудова декількох фільтрів пропускання зворотного зв'язку

Я отримав відмінні зауваження та відповіді на своє запитання, однак я хотів би додати те, що мені вдалося зрозуміти з різних відповідей та декількох підручників в одній цілій відповіді. Нижче наведена інформація допомогла мені вирішити мої проблеми.

Щоб зрозуміти вимоги до підсилювача, спочатку слід зрозуміти, як сконструйовано кілька фільтрів зворотного зв'язку. Діапазон пропуску MFB дозволяє регулювати$Q$, $A_v$ , і $f_m$ незалежно.

Зазвичай піковий коефіцієнт підсилення для MFB задається значенням is $A_v= -2Q^2$ і так, для а $Q = 10$, посилення напруги буде $200$. Ми це спостерігаємо$A_v$ збільшується квадратично з $Q$.

Відповідно до початкової конструкції, представленої вище, щоб ця схема працювала належним чином, коефіцієнт підсилення відкритого циклу використовуваного підсилювача повинен бути більшим, ніж $100$ на обраній центральній частоті.

Крім того, чому мій ГБВ повинен бути близько 5-10x середньої частоти? Чи є якісь розрахунки, на які слід звернутися, або щось подібне?

Зазвичай коефіцієнт безпеки (sf) між 5 і 10 включається для того, щоб стабільність була високою і спотворення низькими.

Для розрахунку GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Тому GBW повинен знаходитися в діапазоні 50-100 МГц.

Неможливо використовувати цей тип фільтрів для високочастотної роботи з високим рівнем Q, оскільки у стандартних підсилювачів швидко «закінчується пара». Ця складність убік, високий приріст, отриманий навіть для помірних значень для Q, цілком може бути непрактичним. Тому ми повинні послабити вхідний сигнал.

Отже, оскільки нам це потрібно $A_v=-2$ і $Q=10$, нам потрібен вхідний аттенюатор. Це було послабленням, на яке йшлося в інших відповідях.

Ми компенсуємо відношення резистора 100 (R7 / R5), щоб компенсувати це.

Напевно, я пропускаю якусь важливу специфікацію, яку я не беру до уваги, але мені здається дуже дивною, що жоден із перерахованих вище підсилювачів не працює належним чином для мого поточного завдання.

Для схеми, представленої вище, відношення резистора послаблює сигнал на $40dB$ (100Av), так що мої вимоги посилення $6dB$додаються поверх цього. Усі розрахунки, які я виконував , не враховували початкове ослаблення 40 дБ.

Як зазначив @Markus Müller, я використовував старовинні підсилювачі. Є набагато краща альтернатива, така як TL972 .

Як зазначає @LvW, коли пропускна здатність посилення недостатньо велика, частотна характеристика відчуває зсув фази. Також правильно згадується той факт, що "вибрана топологія фільтра дуже чутлива до неідеальних даних opamp (оскільки вона заснована на посиленні у відкритому циклі)".

Тут я надаю уривок з Opamps для всіх .

Значення компонентів однакові, оскільки в моєму випадку конденсатори менші на коефіцієнт$100$ при цьому центральна частота також більша на $100$.