Quels sont les facteurs limitants de ces amplificateurs opérationnels?

J'ai conçu un filtre passe-bande à rétroaction multiple

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

Les restrictions de conception sont que je dois utiliser un amplificateur opérationnel à alimentation unique .

Les calculs ont été supprimés des amplis opérationnels pour tout le monde et j'ai obtenu le résultat souhaité avec deux amplificateurs opérationnels: OP27 et OP355NA

Points à noter:

• J'ai essayé plusieurs amplis opérationnels JFET comme indiqué ci-dessous
• Ampli-op idéal utilisé pour vérifier que les calculs sont corrects

Le circuit ci-dessous a été construit et testé sur les logiciels Proteus et LTSpice. Les deux ont donné les mêmes résultats que ceux attendus.

Conception du circuit :

Analyse analogique (gain de 2, centré autour de 2,5 V)

Réponse en fréquence (Center Fre à 100 kHz)

Le problème est que ces pièces sont montées en surface (OP355NA) ou très chères (OP27). Je ne peux pas me permettre de payer plus de 20 dollars pour un ampli op.

Ce sont les amplis op single rail que j'ai à ma disposition, et aucun ne fonctionne comme prévu!

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

J'utiliserai TL071 et TL074 pour simuler à partir de maintenant.

Tous les amplificateurs opérationnels produisent un résultat très similaire, la sortie suivante provient de TL071 , testée à la fois sur Proteus et LTSpice. Ici, je présente la version LTSpice.

Analyse analogique

(Tension diminuée pp)

Fréquence de réponse

(Fréquence centrale décalée vers la gauche)

Comme on peut le voir, le gain est incorrect et la fréquence centrale est décalée vers la gauche. C'était un thème récurrent pour TOUS les amplis opérationnels dont je disposais.

Je sais que les amplis opérationnels répertoriés ci-dessus sont tous différents, mais ils devraient tous être en mesure de fournir une tension de sortie crête à crête de 1 V à 100 kHz. Les graphiques caractéristiques suivants concernent le TL071 et le TL074, qui donnent tous deux la même réponse incorrecte .

La bande passante à gain utilitaire est de 3 MHz.

Je manque sûrement des spécifications importantes, que je ne prends pas en considération, mais je trouve très étrange qu'aucun des amplificateurs opérationnels ci-dessus ne fonctionne correctement pour ma tâche actuelle.

1. Pourquoi puis-je obtenir des résultats corrects avec OP27 (GBW = 8MHz) et pas avec Tl074 ou Tl 081 ?

ÉDITER:

Grâce aux commentaires et réponses utiles, il semble que j'ai sous-estimé les exigences de mon circuit - Principalement l'atténuation du rapport de résistance d'entrée (40 dB)

On dirait que vous essayez d'obtenir un Q d'environ 20-40, juste le globe oculaire, donc le GBW devra être beaucoup plus élevé que la fréquence centrale, et de préférence 5-10x, donc plus 10-40MHz .

1. Pourquoi ai-je un Q d'environ 20-40? N'est-ce pas Q la (fréquence centrale / BW) ou 100k / 10k (= 10) dans mon cas.
2. Aussi, pourquoi mon GBW devrait-il être d'environ 5 à 10 fois la fréquence centrale? Y a-t-il des calculs auxquels il faut se référer ou quelque chose du genre?

On dirait que vous essayez d'obtenir un Q d'environ 20-40, juste le globe oculaire, donc le GBW devra être beaucoup plus élevé que la fréquence centrale, et de préférence 5-10x, donc plus 10-40MHz .

L '"atténuation" dont d'autres parlent est le rapport de résistance dont vous avez besoin pour obtenir ce Q élevé, donc je ne pense pas que vous puissiez éviter cela.

Je suis d'accord avec Tim; n'atténuez pas trop le signal d'entrée.

Ensuite, votre seul choix est quelque chose avec plus de gain à environ 100 kHz.

Heureusement, tous les amplis-op que vous avez testés ont une bande passante assez faible (certains ont plus de 40 ans). Avec des alternatives de gain de bande passante de 10 MHz, vous devriez probablement être très bien:

Par exemple, le TL972 devrait être OK pour cette application et peut être acheté pour (livraison gratuite) 0,67 $ pièce chez des distributeurs réputés . Mais ce n'est pas une entrée JFET - je soupçonne que vous ne vous souciez pas vraiment tant que le courant d'entrée est suffisamment faible.

Rrz0 .... permettez-moi de répondre à vos deux dernières questions:

(1) Si le produit gain-bande passante n'est pas suffisamment grand, vous aurez un déphasage supplémentaire (causé par l'ampli op). Effet typique: amélioration Q indésirable. Le déphasage supplémentaire réduit la marge de phase et déplacera davantage le pôle vers l'axe imaginaire - ce qui agrandit le pôle-Q (identique au passe-bande-Q).

(2) Lorsque le GBW est à 10 MHz, le gain en boucle ouverte à 100 kHz sera appliqué. 40 dB (100). Ce n'est pas suffisant. Cependant, tous les calculs sont basés sur un ampli op IDÉAL sans aucun déphasage indésirable, voir mon commentaire ci-dessus sous (1). Même un déphasage supplémentaire de 5 degrés. entraînera une grave amélioration de Q.

(3) Veuillez noter que la topologie de filtre sélectionnée est très sensible aux données d'opamp non idéales (car elle est basée sur le gain en boucle ouverte). Il existe d'autres structures de filtre (Sallen-Key ou GIC) qui sont moins sensibles aux paramètres opamp non idéaux.

(4) Il convient de mentionner que vous ne serez PAS obligé d'utiliser des opamps dits "à alimentation unique". Tous les amplificateurs opérationnels ne peuvent fonctionner qu'avec une seule tension d'alimentation. Données les plus importantes: GBW (aussi grand que possible) et taux de balayage suffisant (fonctionnement à grand signal).

MODIFIER / METTRE À JOUR

L'article suivant contient un traitement mathématique de l'influence du gain en boucle ouverte finie et fréquentielle sur un circuit passe-bande MFB.

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

Résultat : un facteur de 100 entre le GBW et la fréquence de pointe de conception entraîne une déviation de fréquence de l'application. 15% ( correction de 85 à 15%)

Voici une discussion préalable sur les filtres passe-bande. La réponse à l'aide de l'outil Explorateur de chaînes de signaux présente les effets de divers opamps Unity Gain Bandwidth.

Simulation et création d'un filtre passe-bande à rétroaction multiple

J'ai obtenu d'excellents commentaires et réponses à ma question, mais je voudrais ajouter ce que j'ai réussi à saisir à partir de différentes réponses et de plusieurs manuels dans une seule réponse. Les informations ci-dessous m'ont aidé à résoudre mes problèmes.

$Q$$A_v$$f_m$

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

$100$

Aussi, pourquoi mon GBW devrait-il être d'environ 5 à 10 fois la fréquence centrale? Y a-t-il des calculs auxquels il faut se référer ou quelque chose du genre?

Habituellement, un facteur de sécurité (sf) compris entre 5 et 10 est inclus afin de maintenir la stabilité élevée et la distorsion faible.

Pour calculer la GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Par conséquent, GBW devrait être dans la plage de 50 à 100 MHz.

Il n'est pas possible d'utiliser ce type de filtre pour un travail à haute fréquence et à haute qualité, car les amplificateurs opérationnels standard «s'épuisent rapidement». Cette difficulté mise à part, les gains élevés produits par des valeurs même modérées de Q pourraient bien ne pas être pratiques. Il faut donc atténuer le signal d'entrée.

$A_v=-2$$Q=10$

Nous atténuons par un rapport de résistance de 100 (R7 / R5) pour compenser cela.

Je manque sûrement des spécifications importantes, que je ne prends pas en considération, mais je trouve très étrange qu'aucun des amplificateurs opérationnels ci-dessus ne fonctionne correctement pour ma tâche actuelle.

$40dB$$6dB$

Comme l'a souligné @Markus Müller, j'utilisais d'anciens amplificateurs opérationnels. Il existe une bien meilleure alternative, comme le TL972 .

Comme le mentionne @LvW, lorsque la largeur de bande de gain n'est pas suffisamment grande, la réponse en fréquence subit un décalage de phase. En outre, le fait que "la topologie de filtre sélectionnée est très sensible aux données d'opamp non idéales (car elle est basée sur le gain en boucle ouverte)" est correctement mentionné.

Ici, je fournis un extrait d' Opamps pour tout le monde .

$100$$100$