Was sind die begrenzenden Faktoren dieser Operationsverstärker?

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Ich habe einen Bandpassfilter mit mehreren Rückkopplungen entwickelt

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

Designbeschränkungen bestehen darin, dass ich einen Operationsverstärker mit einer Versorgung verwenden muss.

Die Berechnungen wurden mit Operationsverstärkern für alle durchgeführt , und ich erhielt das gewünschte Ergebnis mit zwei Operationsverstärkern: OP27 und OP355NA

Zu beachtende Punkte:

Versuchte mehrere JFET-Operationsverstärker wie unten aufgeführt
Verwendet einen idealen Operationsverstärker, um zu überprüfen, ob die Berechnungen korrekt sind

Die folgende Schaltung wurde sowohl mit Proteus- als auch mit LTSpice-Software konstruiert und getestet. Beide lieferten die gleichen Ergebnisse, die erwartet wurden.

Schaltungsdesign :

Analoge Analyse (Verstärkung von 2, zentriert um 2,5 V)

Frequenzgang (Center Fre bei 100 kHz)

Das Problem ist, dass diese Teile entweder oberflächenmontiert (OP355NA) oder sehr teuer (OP27) sind. Ich kann es mir nicht leisten , mehr als 20 Dollar für einen Operationsverstärker zu bezahlen.

Dies sind die Single-Rail-Operationsverstärker, die mir zur Verfügung stehen, und keiner von ihnen funktioniert wie erwartet!

Ich werde TL071 und TL074 verwenden, um von nun an eine zu simulieren.

Alle Operationsverstärker geben ein sehr ähnliches Ergebnis aus. Die folgende Ausgabe stammt von TL071 und wurde sowohl auf Proteus als auch auf LTSpice getestet. Hier präsentiere ich die LTSpice-Version.

Analoge Analyse

(Verringerte Spannung pp)

Frequenzgang

(Mittenfrequenz nach links verschoben)

Wie zu sehen ist, ist die Verstärkung falsch und die Mittenfrequenz wird nach links verschoben. Dies war ein wiederkehrendes Thema für ALLE verfügbaren Operationsverstärker.

Ich weiß, dass die oben aufgeführten Operationsverstärker alle unterschiedlich sind, aber sie sollten alle in der Lage sein, eine Ausgangsspannung von Spitze zu Spitze von 1 V bei 100 kHz bereitzustellen. Die folgenden charakteristischen Diagramme beziehen sich auf TL071 und TL074, die beide dieselbe falsche Antwort geben .

Die Utility-Gain-Bandbreite beträgt 3 MHz.

Sicherlich fehlen mir einige wichtige Spezifikationen, die ich nicht berücksichtige, aber ich finde es sehr seltsam, dass keiner der oben genannten Operationsverstärker für meine aktuelle Aufgabe richtig funktioniert.

Warum kann ich mit OP27 (GBW = 8MHz) und nicht mit Tl074 oder Tl 081 korrekte Ergebnisse erzielen ?

BEARBEITEN:

Dank der hilfreichen Kommentare und Antworten habe ich meine Schaltungsanforderungen anscheinend unterschätzt - hauptsächlich die Dämpfung durch das Eingangswiderstandsverhältnis (40 dB)

Sieht so aus, als würden Sie versuchen, ein Q von etwa 20-40 zu erreichen, indem Sie es nur in Augenschein nehmen, also muss das GBW so viel höher sein als die Mittenfrequenz und vorzugsweise das 5-10-fache, also eher 10-40 MHz .

Warum habe ich ein Q von ungefähr 20-40? Ist Q nicht die (Mittenfrequenz / BW) oder 100k / 10k (= 10) in meinem Fall.
Auch warum sollte mein GBW sein um 5-10x die Mittenfrequenz? Gibt es Berechnungen, auf die man sich beziehen sollte, oder ähnliches?

— rrz0
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Ω

$\Omega$

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Das TL071-Datenblatt beginnt buchstäblich mit "SLOS080N - SEPTEMBER 1978 - ÜBERARBEITET JULI 2017"; Also, es ist jetzt 40 Jahre alt :)

— Marcus Müller

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TL08xx: "SLOS081I - FEBRUAR 1977 - ÜBERARBEITET MAI 2015", also fast 42 Jahre alt.

— Marcus Müller

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(Oh, und ganz persönlich: SMD-Pakete wie SOIC sind gar nicht so schwer zu löten; probieren Sie es aus. Es wird Ihnen gefallen.)

— Marcus Müller

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brhans .... na und? Glauben Sie wirklich, dass sie nicht für Single-Supply-Anwendungen verwendet werden können?

— LvW

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Sieht so aus, als würden Sie versuchen, ein Q von etwa 20-40 zu erreichen, indem Sie es nur in Augenschein nehmen, also muss das GBW so viel höher sein als die Mittenfrequenz und vorzugsweise das 5-10-fache, also eher 10-40 MHz .

Die "Dämpfung", von der andere sprechen, ist das Widerstandsverhältnis, das Sie benötigen, um diesen hohen Q zu erhalten, also denke ich nicht, dass Sie das vermeiden können.

— Spehro Pefhany
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1

Ja, das habe ich gemeint. Vielen Dank. Die Leute wissen nicht, wie schwer es ist, die Worte aus meinem Thinkthing herauszuholen: D Und ja, diese hochohmige Quelle war ein roter Hering, wenn nicht sogar völlig falsch. Wird Entfernen.

— Marcus Müller

Verdammt, Sie haben Recht, und meine Antwort war völlig falsch. Ich habe es gerade gelöscht.

— TimWescott

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@ Spehro Pefhany danke für deine Antwort. Wie kommen Sie zu dem Schluss, dass ich versuche, ein Q von etwa 20-40 zu erreichen? Ist Q nicht die (Mittenfrequenz / BW) oder 100k / 10k in meinem Fall. Wie kommt man zu einem GBW, das 5-10x der Mittenfrequenz entspricht? Gibt es irgendwelche Berechnungen, auf die man sich beziehen sollte, oder ähnliches?

— rrz0

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@ TimWescott, er kam zu dem Schluss, dass ich ein Q von ungefähr 20-40 wollte, nein? Genau deshalb frage ich auch. Wie kann jemand, der dies nicht für immer getan hat, zu einem ähnlichen Ergebnis kommen?

— rrz0

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Wenn Sie nicht auf die Schaltung schauen, finden Sie das Q, indem Sie auf den Frequenzgang schauen. Wenn Sie es für immer getan haben, schauen Sie einfach. Wenn Sie es nicht für immer getan haben, setzen Sie Häkchen (real oder virtuell) auf die Antwort 3 dB nach unten vom Peak und messen (oder Augapfel) die Frequenzspanne zwischen ihnen. (Mittenfrequenz) / (3dB Bandbreite) entspricht mehr oder weniger Q.

— TimWescott

2

Ich stimme Tim zu. Dämpfen Sie das Eingangssignal nicht unnötig stark.

Dann ist Ihre einzige Wahl etwas mit mehr Verstärkung bei und um 100 kHz.

Glücklicherweise haben alle von Ihnen getesteten Operationsverstärker eine relativ geringe Bandbreite (einige von ihnen sind älter als 40 Jahre). Mit Produktalternativen mit 10 MHz Verstärkungsbandbreite sollten Sie wahrscheinlich in Ordnung sein:

ZB sollte der TL972 für diese Anwendung in Ordnung sein und kann bei seriösen Händlern für (kostenloser Versand) 0,67 USD pro Stück erworben werden. Aber es ist kein JFET-Eingang - mein Verdacht ist, dass es Ihnen eigentlich egal ist, solange der Eingangsstrom niedrig genug ist.

— Marcus Müller
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1

Rrz0 .... lass mich deine letzten beiden Fragen beantworten:

(1) Wenn das Produkt der Verstärkungsbandbreite nicht groß genug ist, tritt eine zusätzliche (durch Opamp verursachte) Phasenverschiebung auf. Typischer Effekt: Unerwünschte Q-Verbesserung. Die zusätzliche Phasenverschiebung verringert den Phasenabstand und verschiebt den Pol weiter zur imaginären Achse - wodurch der Pol-Q vergrößert wird (identisch mit dem Bandpass-Q).

(2) Wenn der GBW 10 MHz beträgt, beträgt die Open-Loop-Verstärkung bei 100 kHz ca. 40 dB (100). Das reicht nicht aus. Alle Berechnungen basieren jedoch auf einem IDEAL-Operationsverstärker ohne unerwünschte Phasenverschiebung, siehe meinen Kommentar oben unter (1). Auch eine zusätzliche Phasenverschiebung von 5 Grad. wird eine schwere Q-Verbesserung verursachen.

(3) Bitte beachten Sie, dass die ausgewählte Filtertopologie sehr empfindlich auf nicht ideale Opamp-Daten reagiert (da sie auf der Open-Loop-Verstärkung basiert). Es gibt andere Filterstrukturen (Sallen-Key oder GIC-basiert), die weniger empfindlich auf nicht ideale Opamp-Parameter reagieren.

(4) Es ist erwähnenswert, dass Sie KEINE sogenannten "Single-Supply" -Opamps verwenden müssen. Alle Operationsverstärker können nur mit einer einzigen Versorgungsspannung betrieben werden. Wichtigste Daten: GBW (so groß wie möglich) und ausreichende Anstiegsgeschwindigkeit (Großsignalbetrieb).

BEARBEITEN / AKTUALISIEREN

Das folgende Papier enthält eine mathematische Behandlung für den Einfluss der endlichen und Frequenzverstärkung auf eine MFB-Bandpassschaltung.

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

Ergebnis : Ein Faktor von 100 zwischen dem GBW und der Entwurfsspitzenfrequenz führt zu einer Frequenzabweichung von ca. 15% ( Korrektur von 85 auf 15%)

— LvW
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Vielen Dank für die Beantwortung meiner letzten beiden Fragen. Entschuldigen Sie diese grundlegende Frage, aber wenn ich mich für Punkt 4 entscheide, OP27 zu verwenden, das als Operationsverstärker mit "doppelter Versorgung" aufgeführt ist, kann ich trotzdem mit einer normalen 0-5-V-Stromversorgung arbeiten. ? Wenn ja, warum wird es nicht sowohl als Einzel- als auch als Doppelversorgungs-Opamp aufgeführt?

— rrz0

Auch OP27 hat nur ein GBW von 8 MHz, funktioniert aber gut in der Simulation (im Gegensatz zu Operationsverstärkern, die mit größerem GBW getestet wurden). Daher kann es sein, dass es, wie Sie in Punkt 3 erwähnen, andere größere Probleme gibt, denen meine Schaltung gegenübersteht, nämlich nicht die GBW, sondern nicht ideale Opamp-Daten

— rrz0

Weil es Grundkenntnisse sind, dass jeder Operationsverstärker mit einfacher oder doppelter Versorgung betrieben werden kann. Der einzige Unterschied ist der DC-Vorspannungspunkt. Einige Operationsverstärker sind so ausgelegt, dass die Ausgangsamplitude (fast) die Leistungsschienengrenzen erreicht - und daher - so gut wie möglich - für den Betrieb mit "Einzelversorgung" geeignet sind. Das ist der einzige Unterschied.

— LvW

Ich habe eine Simulation (PSpice) Ihrer Schaltung mit OP-27 durchgeführt. Ergebnis: 89,4 kHz.

— LvW

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Hier ist eine vorherige Diskussion von Bandpassfiltern. Die Antwort mit dem Signal Chain Explorer zeigt die Auswirkungen verschiedener Opamps für die Bandbreite der Einheitsverstärkung.

Simulieren und Erstellen eines Bandpassfilters mit mehreren Rückkopplungen

— analogsystemsrf
quelle

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Dies wäre ein guter Kommentar, aber es ist eine ziemlich schlechte Antwort. Schlagen Sie vor, in einen Kommentar zu konvertieren und die Antwort zu löschen. Alternativ erweitern Sie bitte.

— Scott Seidman

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Ich habe einige ausgezeichnete Kommentare und Antworten auf meine Frage erhalten, möchte jedoch hinzufügen, was ich aus verschiedenen Antworten und mehreren Lehrbüchern in einer ganzen Antwort verstanden habe. Die folgenden Informationen haben mir geholfen, meine Probleme zu lösen.

$Q$ $A_v$ $f_m$

$A_v= -2Q^2$ $Q = 10$ $200$ $A_v$ $Q$

$100$

Warum sollte mein GBW etwa das 5-10-fache der Mittenfrequenz betragen? Gibt es Berechnungen, auf die man sich beziehen sollte, oder ähnliches?

Normalerweise ist ein Sicherheitsfaktor (sf) zwischen 5 und 10 enthalten, um die Stabilität hoch und die Verzerrung niedrig zu halten.

So berechnen Sie die GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Daher sollte GBW im Bereich von 50-100 MHz liegen.

Es ist nicht möglich, diesen Filtertyp für hochfrequente Arbeiten mit hoher Güte zu verwenden, da Standard-Operationsverstärker bald keinen Dampf mehr haben. Abgesehen von dieser Schwierigkeit können die hohen Gewinne, die selbst bei moderaten Werten für Q erzeugt werden, durchaus unpraktisch sein. Deshalb müssen wir das Eingangssignal dämpfen.

$A_v=-2$ $Q=10$

Wir dämpfen dies mit einem Widerstandsverhältnis von 100 (R7 / R5).

Sicherlich fehlen mir einige wichtige Spezifikationen, die ich nicht berücksichtige, aber ich finde es sehr seltsam, dass keiner der oben genannten Operationsverstärker für meine aktuelle Aufgabe richtig funktioniert.

$40dB$ $6dB$

Wie @Markus Müller betonte, verwendete ich alte Operationsverstärker. Es gibt viel bessere Alternativen wie den TL972 .

Wie @LvW erwähnt, erfährt der Frequenzgang eine Phasenverschiebung, wenn die Verstärkungsbandbreite nicht groß genug ist. Richtig erwähnt ist auch die Tatsache, dass "die ausgewählte Filtertopologie sehr empfindlich auf nicht ideale Opamp-Daten reagiert (weil sie auf der Verstärkung im offenen Regelkreis basiert)."

Hier biete ich einen Auszug aus Opamps für alle .

$100$ $100$

— rrz0
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Rrz0_one zusätzlicher Kommentar: Für größere Q-Werte ist es eine bekannte Methode, zusätzlich zum negativen RC-Rückkopplungspfad eine kleine positive (resistive) Rückkopplung zu verwenden. Diese Erweiterung des klassischen MFB-Bandpasses ist Deliyannis zu verdanken. In diesem Fall beträgt die Mittelbandverstärkung nur Am = 2 * SQRT (2) * Q - 1. In diesem Fall wird R5 gelöscht.

— LvW

Einerseits meinen Sie anstelle von "in meinem Fall sind die Kondensatoren um den Faktor 100 größer" kleiner, aber das ist in Ordnung. Ihre Antwort ist nah genug, um sie zu korrigieren, aber Sie sollten Abschnitt 16.8.4 gelesen haben, in dem Ihre Probleme behandelt werden. Es wird ein GBW von mindestens etwa 20 MHz für Ihre Schaltung vorgeschlagen (unter der Annahme einer Genauigkeit von 1% erforderlich). Und das geht natürlich weit über die Operationsverstärker hinaus, die Sie sich angesehen haben.

— WhatRoughBeast

@WhatRoughBeast Ja, du hast recht, korrigiert. Ich bin auf diesen Abschnitt gestoßen, nachdem ich mit meinem Design begonnen habe, anstatt vorher, wie es hätte sein sollen. Danke für die Hinweise.

— rrz0