¿Por qué mi filtro pasabanda activo de retroalimentación múltiple de ancho de banda estrecho oscila?

Question

Cuando pongo el siguiente circuito pasabanda activo de banda estrecha en una protoboard, utilizando un op-amp CMOS de una sola alimentación MCP601, sólo oscila a unos 339 kHz con un Vpp de unos 1,36 V a una alimentación de 5 V. Cuando aplico un generador de señales (onda sinusoidal) a la entrada, barriendo entre 100 y 900 kHz, no parece hacer mucho en la salida más que mezclarse con la onda sinusoidal de oscilación. ¿Cómo puedo resolver el problema de la oscilación y conseguir un filtro pasabanda que funcione? El objetivo es tener un filtro de paso de banda activo con un centro en algún lugar en el rango de kilohercios bajo a medio. Ahora mismo no me importa la precisión de la frecuencia central ni la precisión del ancho de banda. La sintonización de eso puede venir más tarde, una vez que tenga un mejor conocimiento del tema de la oscilación.

Me doy cuenta de que puedo diseñar un pasabanda pasivo y amplificar la salida de eso y darlo por terminado, pero preferiría primero entender qué estoy haciendo mal con este diseño activo antes de renunciar a él.

Nota al margen: No tengo un modelo LTSpice MCP601 que funcione, pero cuando simulo con otros modelos de op-amp CMOS de una sola fuente que vienen con LTSpice, obtengo buenos resultados (es decir, actúa como un paso de banda en el rango de kHz sin oscilar).

ACTUALIZACIÓN : Cometí el error de usar R6 para modelar la siguiente etapa del circuito en mi protoboard, que era en realidad una impedancia más alta que 5k ohmios. Una vez que eliminé ese circuito y lo sustituí por una resistencia real de 5k, tuve mejor suerte. ¿Quizás la carga de menor Z es lo que resuelve el problema de la oscilación? Aunque no estoy del todo seguro de por qué. Así que si ese es el caso, creo que la pregunta sigue siendo válida en términos de entender cómo dimensionar adecuadamente la carga de salida en este filtro activo para evitar la oscilación (donde la siguiente etapa es de alta Z)?

ACTUALIZACIÓN #2 : Cambiando varias resistencias por R6, la mejor parecía ser R6=10k (que, notablemente, es la misma que R3). Digo mejor porque no oscilaba a 10k y había menos atenuación de voltaje.

Más actualizaciones :

• He descubierto que este circuito se llama Comentarios múltiples filtro de paso de banda. Referencia: Manual de diseño de circuitos lineales 2008, Analog Devices, Ch. 8, Analog Filters, pp. 8.75-8.76 y p. 8.94. Hay ecuaciones de diseño en la p. 8.94.

Reflexiones finales :

• Hay un consenso unánime en que la tabla de pan es uno de los principales problemas.
• La respuesta aceptada menciona el diseñador de filtros de TI. Esta herramienta me ha resultado muy útil para ver el diseño de este tipo de filtro. Muestra las especificaciones mínimas de los amplificadores operacionales que se necesitan para lograr los resultados de la respuesta deseada del filtro.
• El diseñador de filtros de TI muestra que el op-amp MCP601 tiene una especificación de GBW que ni siquiera se acerca al mínimo necesario para las especificaciones que proporcioné en la sección de comentarios. La respuesta aceptada menciona la posibilidad de conectar en cascada filtros de menor Q para lograr resultados, pero creo que otra conclusión razonable es que un filtro de retroalimentación múltiple no es el enfoque adecuado para el Q en la frecuencia central que necesito. La respuesta aceptada menciona tipos de filtros más realistas, como los filtros de cerámica o los filtros de cristal.
• A pesar de que el enfoque de caza y picoteo no es ideal, es notable que pude resolver el problema de la oscilación con una resistencia a tierra lo suficientemente baja (R6) en la salida. Sin embargo, como se ha dicho anteriormente, aunque ya no oscile, es evidente que seguiré teniendo problemas con el filtro. En lugar de cazar y picotear, es mejor diseñar con ecuaciones y para eso encontré ecuaciones para filtros de retroalimentación múltiple en el sitio web de Analog Devices Manual de diseño de circuitos lineales citado anteriormente.

Answer 1

Existe la posibilidad de dar una respuesta positiva a Vin+ con problemas de diseño. El bucle de tierra a C4 debe seleccionarse cuidadosamente para no compartir la corriente de salida con nada por capacitancia o inductancia de bucle.

El producto GBW de su Op Amp debe ser mayor que un sistema de primer orden.

De hecho, mi descubrimiento fue \$ GBW min= Q^2 f_o Av\$ para Q>>1 Esto reducirá su margen de ganancia y la función de transferencia si no se cumple. Por lo tanto, para resolver esto, debe conectar en cascada filtros BPF de menor Q para lograr su resultado o utilizar la parte con el GBW requerido.

• Esto contribuirá a una tendencia a oscilar, pero la retroalimentación positiva anterior es el verdadero problema. El desacoplamiento de la alimentación debe estar muy cerca del CI.
• Los puentes largos de la placa de circuito impreso son una mala noticia para los bucles de tierra inductivos. Aunque una vez tuve éxito con cable magnético de par trenzado soldado a un cable de resistencia.

El diseñador de filtros de TI verificará fácilmente el GBW, ya que he calculado la sensibilidad para la Q requerida (pero no el resultado de la oscilación, sino el GBW requerido). GBW)

Observaciones finales

Este diseño parece exigir un rendimiento BPF con f0 alrededor de 820 kHz con un BW inferior a 160 Hz. Esto se traduce en un Q muy superior a 5000, mientras que con un Q > 100 es imposible lograr ninguna precisión. Se necesitaría un producto GBW que aún no existe muy por encima de 1 GHz para lograr una ganancia de 0 dB en la frecuencia central y aún así es probable que oscile por la capacitancia perdida del orden de 0,5pF en la entrada no inversora. En estos anchos de banda, todas las impedancias deben ser muy inferiores a 500 Ohms.

La relación de atenuación de 5k a 50 Ohms es la dile a en este loco diseño.

Si necesitaras un Q de > 5k utilizarías: Resonador cerámico o resonador Xtal personalizado (Q=10k a 100M $$$ OCXO) o algún resonador mecánico con tolerancias de 10 ppm. Alternativamente, usted podría agrupar 1000 Op Amps cada uno con un Q de 5 y tal vez tener un montón de ondulaciones y picos inesperados y muescas de las fases desajustadas y las partes del 1%. También el GBW de cada Op Amp tendría que ser de 25* fo para la corrección de errores de ganancia unitaria dentro de 1 grado.