Warum kann dieser Operationsverstärker LM324 kein Signal über einer bestimmten Frequenz wiedergeben?

Es scheint keinen Mangel an Schaltkreisen wie diesen zu geben, die versuchen, einen R2R als DAC und einen op zu verwenden. Ampere. als Ausgabepuffer. Diese machen für mich Sinn, also habe ich beschlossen, eine zu konstruieren.

Ich habe eine etwas einfachere Schaltung gebaut

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Diese Schaltung verwendet einen einzelnen Operationsverstärker von einem LM324, der mit Einheitsverstärkung arbeitet. Die anderen 3 im Paket bleiben unverbunden. Es wird von +12 VDC auf der positiven Schiene betrieben, die von einem Tischnetzteil stammt.

Die "4.4k" (2R) Widerstände sind eigentlich nur zwei 2.2k Widerstände in Reihe.

D1-D4 laufen auf einem atmega328p mit einem Wavetable Direct Digital Synthesizer, den ich geschrieben habe. Ich werde nicht viel darüber reden, aber der Mikrocontroller wird mit +5 VDC betrieben, sodass jede Leitung entweder 0 oder 5 VDC hat.

R13, Q1 und R14 waren nur so, dass die Strecke eine Art reale Last fuhr. Der Transistor wirkt als invertierender Verstärker.

Ich habe ursprünglich R10 und R12 weggelassen. Ich habe so etwas ausgegeben bekommen.

• CH1 - gelb - Ausgang von DAC
• CH2 - blau - Ausgang von op. Ampere.

Bei dieser Frequenz war es ziemlich vernünftig.

• CH1 - gelb - Ausgang von DAC
• CH2 - blau - Ausgang von op. Ampere.

Dies erzeugt ziemlich unerwartet eine phasenverschobene Dreieckswelle.

Zu diesem Zeitpunkt habe ich R10 und R12 hinzugefügt.

• CH1 - gelb - nicht invertierender Eingang von op. Ampere.
• CH2 - blau - Ausgang von op. Ampere.

Dies halbierte die Ausgangsspannung, führte jedoch zu einer genaueren Ausgabe. Dieser Unterschied kann theoretisch mit der Verstärkung im Op aufgeholt werden. Ampere.

Bei höheren Frequenzen funktioniert es jedoch immer noch nicht.

• CH1 - gelb - nicht invertierender Eingang von op. Ampere.
• CH2 - blau - Ausgang von op. Ampere.

In diesem Fall wird nicht nur eine Phasendreieckswelle erzeugt, sondern es wird auch nie eine Spannung von +2,5 VDC oder eine Erdung erreicht.

Hier ist eine physische Aufnahme des Setups:

Da ich Überbrückungskabel und Steckbretter verwende, sollte es eine Obergrenze für die praktische Frequenz geben, die mein DAC erzeugen kann. Die von meinem Oszilloskop angegebenen ~ 60 kHz sollten jedoch kein großes Problem darstellen. Das Datenblatt für den LM324 scheint darauf hinzudeuten, dass 1 MHz die praktische Obergrenze für den Betrieb ist. Ampere. bei Einheitsgewinn. Die gezeigte Ausgangswellenform scheint wie die Transistoren im Op. Ampere. gesättigt sind oder einen ähnlichen Effekt haben. Ich weiß nicht genug über Operationsverstärker.

Gibt es eine Änderung, die ich an meiner Schaltung vornehmen kann, um eine genaue Wiedergabe des Eingangssignals am Operationsverstärkerausgang von DC auf 60 kHz zu erhalten?

Datenblatt, in dem ich nach dem LM324 gesucht habe:

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

Es sieht so aus, als stünden Sie unter Anstiegsratenbeschränkungen und Ihr Ausgang zeigt eine so genannte " Anstiegs-induzierte Verzerrung " - der Ausgangsschwung des Operationsverstärkers wird durch die Anstiegsrate begrenzt, sodass die Frequenz den Grenzwert für den maximalen Ausgangsschwung ohne Verzögerung erhöht Die durch die Schwankung hervorgerufene Verzerrung nimmt ab. Das Datenblatt für Operationsverstärker enthält in der Regel ein Diagramm mit dem Wert " Ausgangsschwankung gegen Frequenz ".

Werfen Sie einen Blick auf Abbildung 6 des LM324-Datenblattes und sehen Sie, wo sich Ihr Signal im Diagramm befindet, entsprechend den von Ihnen freigegebenen Scope-Captures (siehe unten). Idealerweise möchten Sie "unter der Kurve" bleiben.

Wenn Sie mehr über die Slew Rate erfahren möchten, schauen Sie sich die Serie 'Slew Rate' im Precision Labs for Op Amps-Training an .

Der LM324 ist ein alter und langsamer OPA. Es hat eine begrenzte "Anstiegsrate" von nicht mehr als 0,5 V / us, wodurch es nicht möglich ist, großen Amplitudensignaländerungen schneller als 1 MHz zu folgen, wie Sie dies in Ihrem eigenen Experiment festgestellt haben.

Es gibt nichts, was Sie tun können, um die Anstiegsrate zu verbessern. Sie benötigen einen schnelleren Operationsverstärker.

Versuchen Sie stattdessen dieses Datenblatt .
Siehe Tabelle 6.8 - Betriebsbedingungen auf Seite 7.
Der erste Parameter in der Tabelle ist die "Anstiegsrate bei Einheitsverstärkung".
Hier sehen Sie, wie schnell sich der Ausgang des Operationsverstärkers bewegen kann. Bei diesem LM324 sind es 0,5 V / μs - und das fast ohne Last (1 MΩ || 30 pF).

Aus den Messungen Ihres Oszilloskops geht hervor, dass Sie ungefähr 0,2 bis 0,25 V / μs sehen - bei einer Last nicht völlig unvernünftig.

Die allgemeine Faustregel lautet, dass die volle Leistungsbandbreite (obere Grenze) eines Operationsverstärkers etwa 10% oder weniger der Frequenz der Verstärkung eins beträgt. Denk darüber nach.

Einheitsverstärkung bedeutet, dass Sie eine Frequenz erreicht haben, bei der die Verstärkung bestenfalls gleich eins ist, und zwar unter den vom Hersteller angegebenen Testbedingungen. Dies ist auch KEINE Ausgabe in voller Stärke. Es bedeutet einfach Vout = Vin bei einem Wert, der weit unter der vollen Leistung liegt.

Ein Transistor mit einem hFE von 100 bei 100 kHz und einem vollen Spannungshub kann 1 Volt pp bei 1 MHz mit einem 1 Volt pp-Eingang ausgeben. Das ist das Beste, was es tun kann.

Der Begriff "Einheitsgewinn" ist etwas irreführend, weil er einen nutzbaren Gewinn impliziert, aber in Wahrheit hat sein Gewinn seine Grenze erreicht. Für die volle Ausgangsleistung mit der angegebenen Verstärkung nehmen Sie 10% der Einheitsverstärkung als Ausgangspunkt.

Einige Hersteller gehen auf ausführliche Details mit Tabellen zu Verstärkung, Frequenz und Last usw. ein. Lesen Sie diese Details, wenn sie im Datenblatt enthalten sind, und machen Sie deutlich, wo Sie bei voller Leistung mit einer brauchbaren Verstärkung rechnen können - oder nicht.

Probieren Sie diese Transistorschaltung

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Mit einem Standard-10X-Oszilloskop mit Vout (ca. 13pF) haben Sie eine Bandbreite von ca. 3 Nanosekunden (50.000.000 Hertz). Stellen Sie R9 ein, um die Ausgangsspannungsbasislinie zu steuern.

Sie können R3 auf 220 oder 330 oder 430 Ohm erhöhen; Bei höheren Widerstandswerten steigt die Kapazität auf Kollektorbasis an, wenn Vout in der Nähe von 1,0 V liegt, und Sie werden ein langsameres Einschwingen feststellen. Somit ergibt sich ein hochfrequentes nichtlineares Verhalten (Verzerrung der 2. Harmonischen) und Sie erhalten eine Summen / Differenz-Intermodulation. Mit nur 4 Bits bezweifle ich, dass dies ein Problem für Sie sein wird. Sie können jedoch einige Widerstände auf 6 oder 8 Bit skalieren und vorkonfektionierte Sinussummen-Wellenformen einspeisen und dann die FFT auf einem Oszilloskop oder Spektrumanalysator untersuchen.

Leistungssteigerung: Wenn Sie die Unterseite der beiden Widerstände R1 und R9 auf -0,2 Volt vorspannen können, verbessert sich Ihre Linearität, was wahrscheinlich bei großen Bits erkennbar ist. Beachten Sie, dass das Laden der Logik- Eingabezeilen nicht konsistent ist und dies auch zu Nichtlinearitäten führt.

Die Verwendung einer Differenzstromlenkung, möglicherweise mit bipolaren Stromquellen und zum Lenken verwendeten Diodenschaltern, verringert die Nichtlinearität. Irgendwann haben Sie einen DAC08 von Precision Monolithics Corp. teuer gebaut, aber mit einer Bandbreite von 20 MHz bis 50 MHz. Untersuchen Sie das Datenblatt.

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