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¿Por qué este amplificador operacional LM324 no puede reproducir una señal por encima de cierta frecuencia?

No parece haber escasez de circuitos como este que intentan usar un R2R como un DAC y un amplificador operacional como un buffer de salida. Estos tienen sentido para mí, así que decidí intentar construir uno.

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Construí un circuito ligeramente más simple

esquemático

simular este circuito – Esquema creado usando CircuitLab

Este circuito utiliza un solo amplificador operacional de un LM324 operando a ganancia unitaria. Los otros 3 en el paquete quedan sin conexión. Está alimentado desde +12 VDC en el riel positivo que proviene de una fuente de alimentación de banco.

Los resistores "4.4k" (2R) son realmente solo dos resistores de 2.2k en serie.

El D1-D4 se está ejecutando en un atmega328p usando un sintetizador digital directo con tabla de ondas que escribí. No voy a hablar mucho sobre eso, pero el microcontrolador se ejecuta desde +5 VDC por lo que cada línea es o 0 o 5 VDC.

El R13, Q1 y R14 fueron solo para que el circuito estuviera manejando algún tipo de carga del mundo real. El transistor está actuando como un amplificador inversor.

Originalmente omití el R10 y el R12. Obtuve una salida como esta.

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  • CH1 - amarillo - salida del DAC
  • CH2 - azul - salida del amplificador operacional.

En esta frecuencia fue bastante razonable. introducir descripción de la imagen aquí

  • CH1 - amarillo - salida del DAC
  • CH2 - azul - salida del amplificador operacional.

Esto produce de manera inesperada una onda triangular con desfase de fase.

En este punto añadí el R10 y R12.

  • CH1 - amarillo - entrada no inversora del amplificador operacional.
  • CH2 - azul - salida del amplificador operacional.

Esto cortó el voltaje de salida a la mitad, pero resultó en una salida más precisa. Esa diferencia teóricamente se puede compensar usando ganancia en el amplificador operacional.

Sin embargo, aún no funciona a frecuencias más altas.

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  • CH1 - amarillo - entrada no inversora del amplificador operacional.
  • CH2 - azul - salida del amplificador operacional.

En este caso, no solo produce una onda triangular con desfase, en realidad nunca llega a +2.5 VDC o vuelve a tierra.

Esta es una toma física de la configuración:

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Dado que estoy usando cables puente y placas de pruebas, debería haber un límite superior para la frecuencia práctica que mi DAC puede producir. Sin embargo, los ~60 kHz que indica mi osciloscopio no deberían ser un problema. La hoja de datos para el LM324 parece sugerir que 1 MHz es el límite superior práctico para el amplificador operacional a ganancia unitaria. La forma de onda de salida mostrada parece que los transistores dentro del amplificador operacional están saturados o algo similar. No sé lo suficiente acerca de los amplificadores operacionales.

¿Hay algún cambio que pueda hacer en mi circuito para obtener una reproducción precisa de la señal de entrada en la salida del amplificador operacional desde DC hasta 60 kHz?

Hoja de datos que estaba revisando para el LM324:

http://www.ti.com/lit/ds/snosc16d/snosc16d.pdf

41voto

Kyle H Puntos 11

Al parecer te estás encontrando con Limitaciones de Tasa de Pendiente, y tu salida está presentando lo que se llama 'Distorción Inducida por Tasa de Pendiente' - el Límite de Salida del Amplificador Operacional está limitado por la Tasa de Pendiente, por lo tanto a medida que la frecuencia aumenta el límite para la máxima oscilación de salida sin 'Distorción Inducida por Tasa de Pendiente' disminuye - típicamente las Hojas de Datos de los Amp Ops tienen un gráfico de 'Oscilación de Salida vs Frecuencia'.

Echa un vistazo a Figura 6 de la Hoja de Datos del LM324, y donde se encuentra tu señal en el gráfico según las capturas del osciloscopio que compartiste (ver abajo). Idealmente querrías mantenerte "debajo de la curva".

Si quieres aprender más sobre Tasa de Pendiente echa un vistazo a la serie de 'Tasa de Pendiente' en los Laboratorios de Precisión para el entrenamiento de Amplificadores Operacionales.

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Respuesta agradable y detallada. Breve y al grano. +1

14voto

Liza Puntos 548

El LM324 es un amplificador operacional antiguo y lento. Tiene una "tasa de respuesta" limitada, no más de 0.5 V/us, lo que no permite seguir cambios de señal de gran amplitud más rápido que 1 MHz, como lo encontraste en tu propio experimento.

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No hay nada que puedas hacer para mejorar la tasa de respuesta. Necesitas adquirir un amplificador operacional más rápido.

9voto

Tom Deloford Puntos 508

Prueba esta hoja de datos en su lugar.
Consulta la Tabla 6.8 - Condiciones de funcionamiento en la página 7.
El primer parámetro en la tabla es la "Tasa de variación en ganancia unitaria".
Esto te dice qué tan rápido puede moverse la salida del amplificador operacional, y para este LM324 es de 0.5V/μs - y eso es con casi ninguna carga (1MΩ || 30pF).

Según tus mediciones con el osciloscopio parece que estás viendo alrededor de 0.2 a 0.25V/μs - no del todo irrazonable con una carga.

4voto

user21359 Puntos 133

La regla general es que el ancho de banda de potencia total (límite superior) de un amplificador operacional es aproximadamente un 10% o menos de la frecuencia de ganancia unitaria. Piénsalo.

Ganancia unitaria significa que has alcanzado una frecuencia donde la ganancia es igual a uno como máximo, bajo las condiciones de prueba que el fabricante especifique. Esto NO es una salida de potencia completa tampoco. Simplemente significa que Vout = Vin en algún valor muy inferior al de la potencia completa.

Un transistor con un hFE de 100 a 100 KHZ y la oscilación de voltaje completa puede producir 1 voltio pico a pico a 1 MHZ, con una entrada de 1 voltio pico a pico. Eso es lo mejor que puede hacer.

El término "ganancia unitaria" es un poco engañoso porque implica una ganancia utilizable, pero en realidad su ganancia ha alcanzado su límite. Para una salida de potencia completa con la ganancia declarada, toma un 10% de la ganancia unitaria como punto de partida.

Algunos fabricantes entran en detalles elaborados con gráficos de ganancia vs. frecuencia y carga, etc. Lee esos detalles si están en la hoja de datos y te ayudarán a comprender dónde puedes esperar una ganancia utilizable a plena potencia, o no.

0 votos

Diría que el rango de frecuencia útil para un amplificador operacional es aproximadamente el 1% de la ganancia de ancho de banda. 1.5% para aplicaciones de baja precisión.

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@RobertEndl. Si incluyes ganancia completa y ancho de banda completo, entonces sí, solo obtendrás unos pocos porcentajes de ganancia unitaria. Esto supone también una baja distorsión armónica total.

4voto

NuSkooler Puntos 2679

Prueba este circuito de transistor

esquemático

simula este circuito – Esquemático creado utilizando CircuitLab

Con una sonda estándar de osciloscopio 10X en Vout (alrededor de 13pF), tendrás aproximadamente 3 nanosegundos (50,000,000 Hercios) de ancho de banda. Ajusta R9 para controlar la línea base de voltaje de salida.

Puedes aumentar R3 a 220, 330 o 430 ohmios; con los valores de resistencia más altos, la capacitancia colector-base aumentará cuando Vout esté cerca de 1.0v y verás una menor estabilización. Por lo tanto, se produce un comportamiento no lineal de alta frecuencia (distorsión armónica de 2do) y obtendrás intermodulación de suma/diferencia. Con solo 4 bits, dudo que esto sea un problema para ti. Pero podrías escalar unos cuantos resistores más, a 6 u 8 bits, y alimentar con formas de onda pre-generadas de suma de senos y luego examinar la FFT en un osciloscopio o analizador de espectro.


Mejora de rendimiento: si puedes polarizar la parte inferior de los 2 resistores: R1 y R9, a -0.2 voltios, entonces tu linealidad mejorará, probablemente detectable para un gran # bits. Ten en cuenta que la carga en las líneas de entrada de lógica no es consistente, lo que también produce No linealidades.

Usar direccionamiento de corriente diferencial, tal vez con fuentes de corriente bipolar y diodos interruptores utilizados para direccionar, reduce la No linealidad. En algún momento, has construido un DAC08 de Precision Monolithics Corp., pero con un ancho de banda de 20MHz a 50MHz. Examina esa hoja de datos.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/dac0800.pdf

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¿Es necesario que se emparejen Q1 y Q2 (ganancia de corriente, etc.)? ¿Cómo afecta a este circuito una diferencia del 20% en la ganancia de corriente (F / hFE)?

0 votos

A menos que requiera una estabilidad extrema de temperatura, este circuito es imperturbable---- la proporción de 4mA/10mA permite ignorar los errores Beta. Y la caída de voltaje de 0.4 voltios a través de R9 a resistencia máxima permite insertar transistores al azar, incluso dispositivos de potencia en lugar de señal pequeña. Si desea estabilidad de temperatura, considere los arrays de transistores Harris/Intersil CA4046 o similares, con 5 dispositivos en el mismo chip.

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