Каковы ограничивающие факторы этих операционных усилителей?

Question

Каковы ограничивающие факторы этих операционных усилителей?

ррз0

Я разработал полосовой фильтр с множественной обратной связью.

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

Конструктивные ограничения заключаются в том, что я должен использовать операционный усилитель с однополярным питанием .

Расчеты были сняты с Op-Amps For Everyone , и я получил нужный результат с двумя операционными усилителями: OP27 и OP355NA.

Обратите внимание:

Пробовал несколько операционных усилителей JFET, как указано ниже.
Использовался идеальный операционный усилитель для проверки правильности расчетов.

Приведенная ниже схема была построена и протестирована в программном обеспечении Proteus и LTSpice. Оба дают одинаковые результаты, которые и ожидались.

Схемотехника :

Аналоговый анализ (усиление 2, с центром около 2,5 В)

Частотная характеристика (центральная частота при 100 кГц)

Проблема в том, что эти детали либо для поверхностного монтажа (OP355NA), либо очень дорогие (OP27). Я не могу позволить себе платить больше 20 долларов за операционный усилитель.

В моем распоряжении имеются одноканальные операционные усилители, и ни один из них не работает должным образом!

Я буду использовать TL071 и TL074 для моделирования с этого момента.

Все операционные усилители выдают очень похожий результат, следующий вывод исходит от TL071 , проверенного как на Proteus, так и на LTSpice. Здесь я представляю версию LTSpice.

Аналоговый анализ

(пониженное напряжение)

Частотная характеристика

(центральная частота смещена влево)

Как видно, коэффициент усиления неправильный и центральная частота смещена влево. Это повторяющаяся тема для ВСЕХ операционных усилителей, которые у меня есть.

Я знаю, что все перечисленные выше операционные усилители разные, но все они должны обеспечивать выходное пиковое напряжение 1 В на частоте 100 кГц. Следующие графики характеристик относятся к TL071 и TL074, оба из которых дают один и тот же неправильный ответ .

Полоса полезного усиления составляет 3 МГц.

Конечно, я упускаю какую-то важную спецификацию, которую не принимаю во внимание, но мне кажется очень странным, что ни один из вышеперечисленных операционных усилителей не работает должным образом для моей текущей задачи.

Почему я могу добиться правильных результатов с OP27 (GBW = 8 МГц), а не с Tl074 или Tl081 ?

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Благодаря полезным комментариям и ответам, похоже, я недооценил свои требования к схеме - в основном затухание от коэффициента входного сопротивления (40 дБ)

Похоже, вы пытаетесь получить добротность около 20-40, просто прикидывая, поэтому GBW должен быть намного выше, чем центральная частота, и предпочтительно в 5-10 раз больше, так что больше похоже на 10-40 МГц. .

Почему у меня Q около 20-40? Разве Q не (центральная частота/BW) или 100k/10k (=10) в моем случае.
Кроме того, почему мой GBW должен быть примерно в 5-10 раз больше центральной частоты? Есть ли какие-то расчеты, на которые следует ссылаться, или что-то в этом роде?

Тим Вескотт

Сопротивление 79,9

Ω

$\Omega$ действительно правильно для резистора с надписью «80,4» в вашей схеме?

ррз0

@TimWescott, еще раз спасибо за вашу помощь в EE SE. Да, значение верное, метка неправильная. Все части были протестированы с одним и тем же номиналом резистора. Отредактирую, чтобы уточнить.

Маркус Мюллер

Analog.com имеет очень хороший конструктор активных фильтров, который на самом деле основан на собственных листах данных Analog и аналоговом моделировании – может быть, данные, используемые там, просто лучше, чем то, что вы можете использовать здесь?

Маркус Мюллер

но, поскольку вы используете детали Texas / National Semi (многие из них действительно древние...): TI.com имеет свой собственный инструмент дизайнера . Вы пробовали, работает ли это для вас? возможно, ваши результаты проектирования просто неверны. (Я никогда не использовал это. Они развернули это как приложение Flash в то время, когда Adobe Flash уже был изгнан из Интернета...)

ррз0

Вполне может быть @MarcusMüller. Нет, я не использовал их дизайнерский инструмент, однако я сделаю это, чтобы проверить, есть ли разница. Как вы пришли к выводу, что части Texas/National Semi имеют древнее происхождение? :) Стоит ли придерживаться аналога.com?

Маркус Мюллер

Спецификация TL071 буквально начинается с «SLOS080N - СЕНТЯБРЬ 1978 г. - ПЕРЕСМОТРЕНО ИЮЛЬ 2017 г.»; так что уже 40 лет :)

Маркус Мюллер

TL08xx: «SLOS081I — ФЕВРАЛЬ 1977 ГОДА — ПЕРЕСМОТРЕНО В МАЯ 2015 ГОДА», то есть почти 42 года.

ррз0

Ага! Теперь я знаю, где мне нужно искать :) Почему-то никогда не обращал внимания на эту печать сразу под названием ОУ.

Маркус Мюллер

LM158 поставлялся в корпусе, похожем на лампу пентода: ссылка . Угадай, что? Стиль 1950-х :)

Маркус Мюллер

Таким образом, вам действительно не нужно тратить 20 долларов на операционный усилитель, просто не покупайте такие конструкции, которые могут позволить детям окончить колледж.

Маркус Мюллер

(о, и от себя лично: SMD-корпуса, такие как SOIC, на самом деле не так уж сложно паять; попробуйте. Вам понравится.)

Маркус Мюллер

кстати, что вообще за приложение? Это выглядит довольно сложно (как мы заметили на самом деле) для реализации в аналоговой схеме, но простой цифровой полосовой фильтр с такой спецификацией методом оконного проектирования было бы довольно тривиально придумать и реализовать на скромно мощном микроконтроллере.

брахи

TL07x и TL08x определенно не являются одноканальными операционными усилителями .

Ур.В

брханы....и что? Вы действительно думаете, что их нельзя использовать для приложений с однополярным питанием?

Ответы (5)

Каковы ограничивающие факторы этих операционных усилителей?

Сопротивление 79,9 $\Omega$ действительно правильно для резистора с надписью «80,4» в вашей схеме?
@TimWescott, еще раз спасибо за вашу помощь в EE SE. Да, значение верное, метка неправильная. Все части были протестированы с одним и тем же номиналом резистора. Отредактирую, чтобы уточнить.
Analog.com имеет очень хороший конструктор активных фильтров, который на самом деле основан на собственных листах данных Analog и аналоговом моделировании – может быть, данные, используемые там, просто лучше, чем то, что вы можете использовать здесь?
но, поскольку вы используете детали Texas / National Semi (многие из них действительно древние...): TI.com имеет свой собственный инструмент дизайнера . Вы пробовали, работает ли это для вас? возможно, ваши результаты проектирования просто неверны. (Я никогда не использовал это. Они развернули это как приложение Flash в то время, когда Adobe Flash уже был изгнан из Интернета...)
Вполне может быть @MarcusMüller. Нет, я не использовал их дизайнерский инструмент, однако я сделаю это, чтобы проверить, есть ли разница. Как вы пришли к выводу, что части Texas/National Semi имеют древнее происхождение? :) Стоит ли придерживаться аналога.com?
Спецификация TL071 буквально начинается с «SLOS080N - СЕНТЯБРЬ 1978 г. - ПЕРЕСМОТРЕНО ИЮЛЬ 2017 г.»; так что уже 40 лет :)
TL08xx: «SLOS081I — ФЕВРАЛЬ 1977 ГОДА — ПЕРЕСМОТРЕНО В МАЯ 2015 ГОДА», то есть почти 42 года.
Ага! Теперь я знаю, где мне нужно искать :) Почему-то никогда не обращал внимания на эту печать сразу под названием ОУ.
LM158 поставлялся в корпусе, похожем на лампу пентода: ссылка . Угадай, что? Стиль 1950-х :)
Таким образом, вам действительно не нужно тратить 20 долларов на операционный усилитель, просто не покупайте такие конструкции, которые могут позволить детям окончить колледж.
(о, и от себя лично: SMD-корпуса, такие как SOIC, на самом деле не так уж сложно паять; попробуйте. Вам понравится.)
кстати, что вообще за приложение? Это выглядит довольно сложно (как мы заметили на самом деле) для реализации в аналоговой схеме, но простой цифровой полосовой фильтр с такой спецификацией методом оконного проектирования было бы довольно тривиально придумать и реализовать на скромно мощном микроконтроллере.
TL07x и TL08x определенно не являются одноканальными операционными усилителями .
брханы....и что? Вы действительно думаете, что их нельзя использовать для приложений с однополярным питанием?

Спехро Пефхани · Answer 1

Спехро Пефхани

Похоже, вы пытаетесь получить добротность около 20-40, просто прикидывая, поэтому GBW должен быть намного выше, чем центральная частота, и предпочтительно в 5-10 раз больше, так что больше похоже на 10-40 МГц. .

«Затухание», о котором говорят другие, - это соотношение резисторов, которое необходимо для получения такой высокой добротности, поэтому я не думаю, что вы можете этого избежать.

Маркус Мюллер

ага, это я и имел в виду. Спасибо. Люди не понимают, как трудно заставить слова исходить из моих мыслей :D И да, этот источник с высоким импедансом был отвлекающим маневром, если даже не полностью неправильным. Удалим.

Тим Вескотт

Черт, ты прав, и мой ответ был совершенно неправильным. Я просто удалил его.

ррз0

@TimWescott, не могли бы вы объяснить, почему ваш ответ был совершенно неправильным? Разве вы не упомянули, что затухание происходит из-за отношения резисторов? Соотношение разрешения было в 100 раз, и вы указали затухание в 40 дБ. Разве это не правильно?

ррз0

@Spehro Pefhany спасибо за ваш ответ. Как вы пришли к выводу, что я пытаюсь получить Q около 20-40? Разве Q не (центральная частота/BW) или 100k/10k в моем случае. Кроме того, как вы получаете GBW, который в 5-10 раз превышает центральную частоту? Есть ли какие-то расчеты, на которые следует ссылаться, или что-то в этом роде?

Тим Вескотт

Интуитивно, потому что Q означает пик, а единственный способ получить пик в схеме операционного усилителя — это коэффициент усиления операционного усилителя. Таким образом, вы создаете схему с пиковым значением, примерно равным

1 / Q

$1/Q$ , а затем вы ставите перед ним аттенюатор.

Тим Вескотт

Сферо пришел к выводу, что вам нужна добротность 10, потому что он на глаз определил желаемую частотную характеристику, и он делал это всегда.

ррз0

@TimWescott, он пришел к выводу, что мне нужен Q около 20-40, не так ли? Кроме того, именно поэтому я спрашиваю. Как может кто-то, кто не занимался этим всю жизнь, прийти к подобному выводу.

Спехро Пефхани

Соотношение резисторов оказывается Q для усиления 1 фильтра MFB, если я правильно помню, может быть выключено на 2:1. Это означает, что операционный усилитель должен иметь такое же усиление в центральной точке. Чтобы характеристики фильтра не зависели от операционного усилителя, вы хотите, чтобы усиление было намного выше, чем это, 10x может дать вам ошибку 5%. Ваш выигрыш 2 сверх этого. Это просто махание рукой, чтобы показать, что произведение GBW операционных усилителей, на которые вы смотрели, является предельным для этого приложения на частоте 100 кГц. Главное, что я хочу донести, это то, что Q значительно повышает требования к GBW.

Тим Вескотт

Если не смотреть на схему, то можно найти добротность, глядя на частотную характеристику. Когда ты делаешь это целую вечность, ты просто смотришь. Когда вы не занимаетесь этим всю жизнь, вы ставите отметки (реальные или виртуальные) на характеристике на 3 дБ ниже пика, а затем измеряете (или на глаз) частотный диапазон между ними. (Центральная частота) / (полоса пропускания 3 дБ) более или менее равно Q.

Маркус Мюллер · Answer 2

Я согласен с Тимом; не ослабляйте входной сигнал без необходимости.

Тогда ваш единственный выбор — это что-то с большим усилением на частоте около 100 кГц.

К счастью, все протестированные вами операционные усилители имеют довольно низкую пропускную способность (некоторым из них более 40 лет). С альтернативами произведения усиления на полосу пропускания 10 МГц у вас, вероятно, должно быть все в порядке:

Например, TL972 должен подойти для этого приложения, и его можно приобрести за (бесплатная доставка) 0,67 доллара США за штуку у авторитетных дистрибьюторов. Но это не вход JFET - я подозреваю, что вам на самом деле все равно, пока входной ток достаточно низок.

Ур.В · Answer 3

Rrz0...позвольте мне ответить на два ваших последних вопроса:

(1) Если произведение усиления на полосу пропускания недостаточно велико, у вас будет дополнительный фазовый сдвиг (вызванный операционным усилителем). Типичный эффект: нежелательное повышение добротности. Дополнительный фазовый сдвиг уменьшает запас по фазе и смещает полюс дальше к мнимой оси, что увеличивает полюс-Q (идентично полосе пропускания-Q).

(2) Когда GBW составляет 10 МГц, коэффициент усиления без обратной связи на частоте 100 кГц будет прибл. 40 дБ (100). Этого недостаточно. Однако все расчеты основаны на ИДЕАЛЬНОМ ОУ без какого-либо нежелательного фазового сдвига, см. мой комментарий выше под (1). Даже дополнительный фазовый сдвиг в 5 град. приведет к серьезному Q-увеличению.

(3) Обратите внимание, что выбранная топология фильтра очень чувствительна к неидеальным данным операционных усилителей (поскольку она основана на коэффициенте усиления без обратной связи). Существуют и другие структуры фильтров (на основе Саллена-Ки или GIC), менее чувствительные к неидеальным параметрам операционных усилителей.

(4) Стоит отметить, что вам НЕ потребуются так называемые операционные усилители с однополярным питанием. Все операционные усилители могут работать только с одним единственным напряжением питания. Наиболее важные данные: GBW (максимально большая) и достаточная скорость нарастания (работа с большим сигналом).

РЕДАКТИРОВАТЬ/ОБНОВИТЬ

Следующая статья содержит математическую обработку влияния конечного и частотного коэффициента усиления без обратной связи на схему с полосой пропускания MFB.

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

Результат : Фактор 100 между GBW и расчетной пиковой частотой приводит к отклонению частоты прибл. 15 % ( коррекция с 85 до 15 %)

спасибо за ответ на мои последние два вопроса. Извините за этот основной вопрос, но что касается пункта 4, если я решу использовать OP27 , который указан как операционный усилитель с «двойным питанием», смогу ли я по-прежнему работать с обычным источником питания 0–5 В. ? Если да, то почему он не указан как операционный усилитель с одинарным и двойным питанием?
Также OP27 имеет полосу пропускания только 8 МГц, но хорошо работает при моделировании (в отличие от операционных усилителей, протестированных с большей полосой пропускания). Поэтому может случиться так, что, как вы упомянули в пункте 3, есть другие более серьезные проблемы, с которыми сталкивается моя схема, и это не GBW, а неидеальные данные операционных усилителей.
Потому что это базовые сведения о том, что каждый операционный усилитель может работать с одним или двумя источниками питания. Единственным отличием является точка смещения постоянного тока. Некоторые операционные усилители сконструированы таким образом, что выходная амплитуда (почти) достигает пределов шины питания, и, следовательно, они максимально подходят для работы с однополярным питанием. Это единственная разница.
Я сделал моделирование (PSpice) вашей схемы с помощью OP-27. Результат: 89,4 кГц.

аналоговые системы рф · Answer 4

Вот предварительное обсуждение полосовых фильтров. Ответ с использованием инструмента Signal Chain Explorer представляет эффекты различных операционных усилителей Unity Gain Bandwidth.

Моделирование и построение полосового фильтра с множественной обратной связью

Это был бы хороший комментарий, но это довольно плохой ответ. Предложите преобразовать в комментарий и удалить ответ. Как вариант, расширьте.

ррз0 · Answer 5

Я получил несколько отличных комментариев и ответов на свой вопрос, однако я хотел бы добавить то, что мне удалось понять из разных ответов и нескольких учебников в одном полном ответе. Приведенная ниже информация помогла мне решить мои проблемы.

Чтобы понять требования к операционному усилителю, сначала нужно понять, как устроен фильтр с множественной обратной связью. Полоса пропускания MFB позволяет настроить $Q$ , $A_v$ , и $f_m$ независимо.

Обычно пиковое усиление для MFB определяется как $A_v= -2Q^2$ и так, для $Q = 10$ , коэффициент усиления по напряжению будет $200$ . Мы наблюдаем, что $A_v$ увеличивается квадратично с $Q$ .

Согласно первоначальной схеме, представленной выше, для правильной работы этой схемы коэффициент усиления разомкнутого контура используемого операционного усилителя должен быть больше, чем $100$ на выбранной центральной частоте.

Кроме того, почему мой GBW должен быть примерно в 5-10 раз больше центральной частоты? Есть ли какие-то расчеты, на которые следует ссылаться, или что-то в этом роде?

Обычно коэффициент безопасности (sf) составляет от 5 до 10, чтобы поддерживать высокую стабильность и низкий уровень искажений.

Чтобы рассчитать GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Поэтому GBW должен быть в диапазоне 50-100MHz.

Невозможно использовать этот тип фильтра для высокочастотной работы с высокой добротностью, так как стандартные операционные усилители быстро «выдыхаются». Если оставить в стороне эту трудность, высокий выигрыш даже при средних значениях добротности может оказаться нецелесообразным. Поэтому мы должны ослабить входной сигнал.

Итак, поскольку нам нужно $A_v=-2$ и $Q=10$ , нам нужен входной аттенюатор. Это было затухание, на которое ссылались другие ответы.

Мы ослабляем резистор с отношением резисторов 100 (R7/R5), чтобы компенсировать это.

Конечно, я упускаю какую-то важную спецификацию, которую не принимаю во внимание, но мне кажется очень странным, что ни один из вышеперечисленных операционных усилителей не работает должным образом для моей текущей задачи.

Для схемы, представленной выше, отношение резисторов ослабляет сигнал на $40dB$ (100Av), поэтому мои требования к усилению $6dB$ добавляются поверх этого. Все расчеты, которые я выполнял , не учитывали начальное затухание в 40 дБ.

Как отметил @Markus Müller, я использовал древние операционные усилители. Есть гораздо лучшая альтернатива, например TL972 .

Как упоминает @LvW, когда полоса пропускания недостаточно велика, частотная характеристика испытывает фазовый сдвиг. Также правильно упомянут тот факт, что «выбранная топология фильтра очень чувствительна к неидеальным данным операционных усилителей (поскольку она основана на коэффициенте усиления без обратной связи)».

Здесь я привожу отрывок из «Операционные усилители для всех» .

Номиналы компонентов идентичны, так как в моем случае конденсаторы меньше в разы. $100$ в то время как центральная частота также больше на $100$ .

Rrz0_one дополнительный комментарий: Для больших значений добротности хорошо известен метод использования малой положительной (резистивной) обратной связи в дополнение к отрицательному пути RC-обратной связи. Это расширение классической полосы пропускания MFB принадлежит Делияннису. В этом случае коэффициент усиления средней полосы составляет только Am=2*SQRT(2)*Q - 1. В этом случае R5 удаляется.
С одной стороны, вместо «в моем случае конденсаторы больше в 100 раз» вы имеете в виду меньше, но это нормально. Ваш ответ достаточно близок к правильному, но вы должны были прочитать раздел 16.8.4, в котором рассматриваются ваши проблемы. Он предлагает минимальную полосу пропускания около 20 МГц для вашей схемы (при условии, что требуется точность 1%). И это, конечно, далеко за пределами любого из операционных усилителей, на которые вы смотрели.
@WhatRoughBeast Да, вы правы, исправлено. Я наткнулся на этот раздел после того, как начал свой дизайн, а не раньше, как это должно было быть. Спасибо за указатели.

Каковы ограничивающие факторы этих операционных усилителей?

ррз0

Тим Вескотт

ррз0

Маркус Мюллер

Маркус Мюллер

ррз0

Маркус Мюллер

Маркус Мюллер

ррз0

Маркус Мюллер

Маркус Мюллер

Маркус Мюллер

Маркус Мюллер

брахи

Ур.В

Ответы (5)

Спехро Пефхани

Маркус Мюллер

Тим Вескотт

ррз0

ррз0

Тим Вескотт

Тим Вескотт

ррз0

Спехро Пефхани

Тим Вескотт

Маркус Мюллер

Ур.В

ррз0

ррз0

Ур.В

Ур.В

аналоговые системы рф

Скотт Сейдман

ррз0

Ур.В

ЧтоГрубый Зверь

ррз0