Was sind die begrenzenden Faktoren dieser Operationsverstärker?

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!

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

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.

1. 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 .

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

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.

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.

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%)

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

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$