Построение полосового фильтра на операционном усилителе

Я совсем новичок в операционных усилителях, но смотрел на них в колледже и провел собственное исследование. Я пытаюсь использовать операционный усилитель для создания простого полосового фильтра с внутриполосным усилением по напряжению, равным 5. Основная цель состоит в том, чтобы сигнал, полученный от ультразвукового преобразователя, поступал в этот фильтр. Сигнал будет синусоидой порядка пары сотен милливольт на частоте 1,1 МГц. Я хочу, чтобы полосовой фильтр ограничивал проходящий шум. Я также хочу, чтобы внутриполосное усиление было около 5.

Позвольте мне рассказать о том, что я уже пробовал. Я смотрел на TDC1000 от Texas Instruments, который представляет собой «аналоговый интерфейс с ультразвуковым датчиком».

В частности, я смотрел на малошумящий усилитель на пути приемника. Я пытаюсь воспроизвести схему, показанную на рис. 16 на стр. 14:

Цепь МШУ в TDC1000

Согласно техническому описанию, внутриполосное усиление определяется отношением конденсаторов:

Усиление в полосе = CIN/CF = 300 пФ/30 пФ = 10

Угол верхних частот задается резистором обратной связи и конденсатором:

FCH = 1/(2πRFCF) = 1/2π(9000)(30x10^-12) = 589,5 кГц

Угол нижних частот задается продуктом усиления полосы пропускания и коэффициентом усиления:

FCL = фунт стерлингов/усиление = 50 МГц/10 = 5 МГц

Все это, казалось, имело смысл, однако на других веб-сайтах были показаны другие конфигурации схем для полосовых фильтров. Некоторые схемы включали еще один резистор перед CIN, и не было упоминания о «произведении усиления на полосу пропускания».

Я решил собрать собственную версию схемы малошумящего усилителя, представленную в TDC1000. Выбор операционного усилителя был достаточно сложным, но после некоторых исследований LT1128 показался хорошим выбором. Таблица данных для этого операционного усилителя доступна ниже:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/1028fd.pdf

Это малошумящий прецизионный высокоскоростной операционный усилитель с произведением коэффициента усиления на полосу пропускания 20 МГц. Я собрал следующую схему на макетной плате:

Моя схема LNA, построенная на макетной плате

Следуя предыдущим уравнениям:

Усиление_в полосе = CIN/CF = 100 пФ/20 пФ = 5

Угол высоких частот:

FCH = 1/(2πRFCF) = 1/2π(10000)(20x10^-12) = 795,8 кГц

Угол нижних частот:

FCL = фунт стерлингов/усиление = 20 МГц/5 = 4 МГц

Чтобы проверить схему, я применил синусоидальный сигнал с размахом 500 мВ от моего генератора сигналов и изменил частоту. Схема работала не так, как я ожидал. Ниже несколько скриншотов с моего осциллографа. Желтый канал — это входной сигнал, а синий канал — это выход LT1128.

800 кГц:

Вход 800 кГц

1 МГц:

Вход 1 МГц

Я не слишком уверен, что происходит, изменение амплитуды входного сигнала не изменило амплитуду выходного сигнала. Однако изменение частоты входного сигнала влияло на фазу и амплитуду выходного сигнала. Я ожидал, что на частотах от 795,8 кГц до 4 МГц выходной сигнал будет инвертирован и в 5 раз превысит входной.

Я решил сделать шаг назад и просто собрать инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 4,7. Ниже приведена схема простой схемы, которую я построил на макетной плате:

Схема инвертирующего усилителя

Я применил синусоиду 1V между пиками и изменил частоту. На частоте 300 кГц выходной сигнал, как и ожидалось, инвертирован и имеет размах напряжения 4,7 В. Ниже приведен скриншот с моего осциллографа, желтый канал — входной сигнал, а синий канал — выходной:

Инвертирующий усилитель - вход 300 кГц

Когда я увеличиваю частоту, фаза и амплитуда выходного сигнала изменяются, а амплитуда входного сигнала больше не влияет на выходной сигнал.

700 кГц:

Инвертирующий усилитель - вход 700 кГц

Я не понимаю, почему это происходит, я думал, что операционный усилитель должен продолжать усиливать входной сигнал на гораздо более высоких частотах.

Я провел много исследований пропускной способности операционных усилителей, но кажется, что я что-то упускаю.

Вопросы:

  1. Является ли сам операционный усилитель, который я выбрал, не подходящим для этого приложения, может быть, это один из параметров LT1128, который я мог упустить?
  2. Что касается схемы полосового фильтра, может ли кто-нибудь найти ошибки в схеме или объяснить, что происходит?
  3. Почему в конфигурации инвертирующего усилителя выходной сигнал начинает изменяться выше входного сигнала частотой 300 кГц?

Если дело в том, что мне нужно больше читать, есть ли у кого-нибудь рекомендации?

Какой фильтр BW min необходим?
Каково сопротивление источника?

Ответы (2)

Чтобы операционный усилитель имел низкую ошибку усиления на частоте 1 МГц, вам необходимо усиление разомкнутого контура >100 x усиление замкнутого контура или 500 МГц = GBW.

Видеоусилитель лучше подходит для использования дискретных компонентов.

Не зная импеданса вашего источника, предполагается, что он составляет 50 Ом. Буфер с эмиттерным повторителем, если выше или ниже, отрегулируйте R в соответствии с тем, как Rb(eq)/Rin управляет усилением замкнутого контура, равным 5.

Доказательство концепции PN2222A

введите описание изображения здесь

Причина, по которой операционные усилители в целом плохо подходят для усиления в полосовых фильтрах с полосой пропускания 1 МГц, заключается в том, что произведение GBW, необходимое для преодоления погрешности усиления, также умножается на Q^2.

Теория Операции.

Это мой классический усилитель с общим эмиттером на 50 Ом, использующий отрицательную обратную связь. Усиления компенсируются улучшением линейности и увеличением пропускной способности. Понижение базы регулирует точку Q коллектора для низкого коэффициента усиления. В других ситуациях, если Vc слишком велико (низкий Ic), тогда используется большее основание подтяжки R к Vcc для увеличения Ic и, таким образом, уменьшения Rbe и увеличения усиления.

Есть лучшие транзисторы, но старый PN2222A имеет минимальную GBW по току 300 МГц , что превосходит любой «старый» операционный усилитель! Это то, что заставляет это работать здесь.

Связь переменного тока с входным сигналом необходима, поэтому 100 нФ предназначены только для изоляции постоянного тока от входа до смещения базы с ~ 1 Ом на частоте 1 МГц. Вы можете сделать это больше, что повлияет на время установления смещения после T = (50 + 50) C = 10 мкс времени нарастания.

Rcb/Rs=500/50 Ом задает максимальное усиление замкнутого контура, равное 10, которое дополнительно снижается другими базовыми нагрузками.

Входной импеданс дополнительно нагружается 400R на землю, что поднимает постоянное напряжение коллектора до средней точки и ослабляет усиление. Re =2 играет важную роль для установки коэффициента усиления разомкнутого контура Rc/(Re+Rbe*)= от 15 до 25 и в то же время для повышения входного импеданса hFE*Re~200 Ом для hFE=100, что еще больше ослабляет входной сигнал. как и 400 Ом.

Rbe* = 25/Ic (мА) [Ом] контролируется током коллектора , что делает его в диапазоне 1 Ом, что снижает усиление разомкнутого контура, поэтому Re было выбрано примерно таким же или немного выше для компромисса между линейностью и уменьшением усиления.

В целом это намного лучше, чем смещение H без обратной связи из-за избыточного усиления, используемого для коррекции ошибок или отрицательной обратной связи. Пусть и небольшая сумма, но достаточная.

Если вам нужна большая линейность, то для достижения этого можно использовать большую мощность с 5 В и уменьшить Rbe из-за более высокого Ic и, таким образом, увеличить усиление разомкнутого контура для дополнительной обратной связи от этого избыточного усиления разомкнутого контура.

Rc =50 устанавливает импеданс разомкнутого контура, а также коэффициент усиления разомкнутого контура от Re уменьшается на нагрузку от базы к эмиттеру hFE*Re.

Конечным результатом является усиление замкнутого контура в 5 раз с усилением разомкнутого контура от 20 до 50, поэтому избыточное усиление снижает импеданс базы и коллектора за счет отрицательной обратной связи. Это похоже на эффект операционных усилителей с NFB, за исключением того, что избыточное усиление, возвращаемое обратно, намного меньше, и нет интегратора, как в OA, для ограничения усиления без обратной связи, поэтому он имеет гораздо большую полосу пропускания, чем ваш OA. (В зависимости от GBW транзистора)

Привет, спасибо, что нашли время ответить. Сопротивление источника на самом деле 50 Ом. Мне не нужна очень конкретная полоса пропускания, я думал о полосе пропускания от 600 кГц до 1,5 МГц. Цель состоит в том, чтобы ослабить шум, получаемый от пьезопреобразователя, а также усилить интересующий меня сигнал 1,1 МГц, не создавая большого количества шума, поэтому я выбрал малошумящий усилитель. Я предположил, что мои требования могут быть удовлетворены с помощью операционного усилителя, как это сделано в ИС TDC1000, о которой я упоминал выше, из которых LNA имеет только GBP 50 МГц.
Итак, вы бы порекомендовали мне вместо этого построить схему с использованием транзистора, подобного тому, который вы разместили выше?
Да, с источником 50 Ом серия R не требуется. 3,3 В ограничивает рассеиваемую мощность, а напряжение Vc должно быть отцентровано от коэффициента обратной связи. Используйте хорошую фильтрацию на Vcc и сделайте его маленьким с хорошим заземлением. Не используйте чрезмерную нагрузку кабеля C на выходе. Мой сим. показывает 3 различных входных сигнала, которые вы нажимаете на Sw, чтобы изменить положение.
Усиление и Vcc могут быть увеличены до 5 В с небольшими изменениями в снижении смещения и увеличении до Rcb.
При напряжении 5 В общая мощность Pd = 1/4 Вт. Другие могут подтвердить это решение 8>)
Привет, спасибо за всю информацию. Я немного запутался в том, как именно работает эта схема, не могли бы вы уточнить, какое влияние на схему оказывают номиналы резисторов на коллекторе и эмиттере, а также конденсатор 100 нФ? Я просто пытаюсь понять, как я буду строить эту схему и какое влияние все компоненты окажут на схему. Спасибо.
Добавлены дополнительные сведения о теории работы. Это помогает?
Сохраняя примерно то же базовое смещение Rcb/Rbg и увеличивая эти значения относительно источника 50 Ом, я могу получить усиление 60, используя более высокое значение hFE = 200, меньшее Re = 0, а также поднять Vdd до 14 и сбросить 1,4 Вт на резисторе коллектора. . Очевидные тепловые проблемы с необходимостью более крупных деталей. Но высокий коэффициент усиления с правильным транзистором. tinyurl.com/yhowwquy

Максимальная выходная амплитуда операционного усилителя выше определенной частоты уменьшается с частотой. Из таблицы данных LT1128 у нас есть этот график

введите описание изображения здесь

Этот график говорит нам о том, что даже если конкретный операционный усилитель может иметь полосу единичного усиления, скажем, 10 МГц, это применимо только к очень слабым сигналам.

Есть комментарии к моему решению?
Построение полосового фильтра на операционном усилителе
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v