Каковы ограничивающие факторы этих операционных усилителей?

Я разработал полосовой фильтр с множественной обратной связью

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

Конструктивные ограничения заключаются в том, что я должен использовать операционный усилитель с одним источником питания .

Расчеты были сняты с операционных усилителей для всех , и я получил желаемый результат с двумя операционными усилителями : OP27 и OP355NA

Указывает на Примечание:

• Пробовал несколько операционных усилителей JFET, как указано ниже
• Использовал идеальный операционный усилитель для проверки правильности расчетов

Приведенная ниже схема была сконструирована и протестирована на программном обеспечении Proteus и LTSpice. Оба дали одинаковые результаты, которые ожидались.

Схемотехника :

Аналоговый анализ (усиление 2, около 2,5 В)

Частотный отклик (Center Fre при 100 кГц)

Проблема заключается в том, что эти детали либо устанавливаются на поверхности (OP355NA), либо очень дороги (OP27). Я не могу позволить себе заплатить более 20 долларов за операционный усилитель.

Это операционные усилители с одним рельсом, которые я имею в своем распоряжении, и ни один из них не работает должным образом!

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

Я буду использовать TL071 и TL074 для симуляции с этого момента.

Все операционные усилители выводят очень похожий результат, следующий вывод взят из TL071 , протестированного как на Proteus, так и на LTSpice. Здесь я представляю версию LTSpice.

Аналоговый анализ

(Пониженное напряжение пп)

Частотный отклик

(Центральная частота смещена влево)

Как видно, усиление некорректно и центральная частота смещена влево. Это была повторяющаяся тема для ВСЕХ операционных усилителей, которые у меня есть.

Я знаю, что перечисленные выше операционные усилители отличаются друг от друга, но все они должны обеспечивать выходной пик до пикового напряжения 1 В при 100 кГц. Следующие характеристические графики относятся к TL071 и TL074, оба из которых дают одинаковый неверный ответ .

Полоса пропускания служебного усиления составляет 3 МГц.

Конечно, мне не хватает какой-то важной спецификации, которую я не принимаю во внимание, но мне очень странно, что ни один из вышеперечисленных операционных усилителей не работает должным образом для моей текущей задачи.

1. Почему я могу добиться правильных результатов с OP27 (GBW = 8 МГц), а не с Tl074 или Tl 081 ?

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Благодаря полезным комментариям и ответам похоже, что я недооценил свои требования к цепи - в основном, ослабление от отношения входного сопротивления (40 дБ)

Похоже, вы пытаетесь получить Q около 20-40, просто взглянув на него, поэтому полоса пропускания должна быть намного выше, чем центральная частота, и, предпочтительно, в 5-10 раз больше, чем 10-40 МГц. ,

1. Почему у меня Q около 20-40? Разве не Q (центральная частота / BW) или 100k / 10k (= 10) в моем случае.
2. Кроме того, почему мой GBW должен быть примерно в 5-10 раз больше центральной частоты? Есть ли какие-либо вычисления, на которые нужно ссылаться или что-то в этом роде?

Похоже, вы пытаетесь получить Q около 20-40, просто взглянув на него, поэтому полоса пропускания должна быть намного выше, чем центральная частота, и, предпочтительно, в 5-10 раз больше, чем 10-40 МГц. ,

«Затухание», о котором говорят другие, - это отношение резисторов, которое необходимо для достижения такого высокого Q, поэтому я не думаю, что вы можете избежать этого.

Я согласен с Тимом; не слишком сильно ослабляйте входной сигнал.

Тогда ваш единственный выбор - это что-то с большим усилением на частоте около 100 кГц.

К счастью, все протестированные вами операционные усилители имеют довольно низкую пропускную способность (некоторым из них более 40 лет). С альтернативами продукта с полосой пропускания 10 МГц у вас, вероятно, все будет в порядке:

Например, TL972 должен быть в порядке для этого приложения и может иметься (бесплатная доставка) по $ 0,67 за штуку у известных дистрибьюторов. Но это не вход JFET - я подозреваю, что вам все равно, если входной ток достаточно низок.

Rrz0 .... позвольте мне ответить на два ваших последних вопроса:

(1) Если коэффициент усиления полосы пропускания недостаточно велик, у вас будет дополнительный (вызванный операционным усилителем) сдвиг фазы. Типичный эффект: нежелательное Q-улучшение. Дополнительный сдвиг фазы уменьшает запас по фазе и смещает полюс дальше к воображаемой оси - что увеличивает полюс-Q (идентично полосе пропускания-Q).

(2) Когда полоса пропускания составляет 10 МГц, коэффициент усиления без обратной связи при частоте 100 кГц будет равен приблизительно. 40 дБ (100). Этого недостаточно. Однако все расчеты основаны на операционном усилителе IDEAL без какого-либо нежелательного фазового сдвига, см. Мой комментарий выше в (1). Даже дополнительный сдвиг фаз на 5 град. вызовет серьезное улучшение качества.

(3) Обратите внимание, что выбранная топология фильтра очень чувствительна к неидеальным данным операционного усилителя (поскольку она основана на коэффициенте усиления без обратной связи). Существуют другие структуры фильтров (Sallen-Key или GIC), которые менее чувствительны к неидеальным параметрам операционного усилителя.

(4) Стоит отметить, что вам НЕ потребуется использовать так называемые операционные усилители с одним источником питания. Все операционные усилители могут работать только с одним напряжением питания. Наиболее важные данные: GBW (максимально большой) и достаточная скорость нарастания (работа с большим сигналом).

EDIT / UPDATE

Следующая статья содержит математическую трактовку влияния конечного и частотного усиления без обратной связи на полосовую MFB-схему.

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

Результат : коэффициент 100 между GBW и проектной пиковой частотой приводит к отклонению частоты приложения. 15% ( коррекция от 85 до 15%)

Вот предварительное обсуждение полосовых фильтров. В ответе с помощью инструмента Signal Chain Explorer представлены эффекты различных операционных усилителей Unity Gain Bandwidth.

Моделирование и построение полосового фильтра с множественной обратной связью

Я получил несколько отличных комментариев и ответов на мой вопрос, однако я хотел бы добавить то, что мне удалось понять, из разных ответов и нескольких учебников в одном полном ответе. Приведенная ниже информация помогла мне решить мои проблемы под рукой.

$Q$$A_v$$f_m$ независимо .

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

$100$

Кроме того, почему мой GBW должен быть примерно в 5-10 раз больше центральной частоты? Есть ли какие-либо вычисления, на которые нужно ссылаться или что-то в этом роде?

Как правило, коэффициент безопасности (sf) между 5 и 10 включается для поддержания высокой стабильности и низкого уровня искажений.

Чтобы рассчитать GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Поэтому полоса пропускания должна быть в диапазоне 50-100 МГц.

Нельзя использовать этот тип фильтра для высокочастотной работы с высокой добротностью, так как стандартные операционные усилители скоро «закончатся». Помимо этой трудности, высокие коэффициенты усиления, создаваемые даже умеренными значениями Q, вполне могут быть непрактичными. Поэтому мы должны ослабить входной сигнал.

$A_v=-2$$Q=10$ , нам нужен входной аттенюатор. Это было ослабление, на которое ссылались другие ответы.

Мы уменьшаем соотношение резисторов 100 (R7 / R5), чтобы восполнить это.

Конечно, мне не хватает какой-то важной спецификации, которую я не принимаю во внимание, но мне очень странно, что ни один из вышеперечисленных операционных усилителей не работает должным образом для моей текущей задачи.

$40dB$$6dB$

Как заметил @Markus Müller, я использовал древние операционные усилители. Есть намного лучшая альтернатива, такая как TL972 .

Как упоминает @LvW, когда ширина полосы усиления недостаточно велика, частотная характеристика испытывает фазовый сдвиг. Также правильно упоминается тот факт, что «выбранная топология фильтра очень чувствительна к неидеальным данным операционного усилителя (потому что она основана на коэффициенте усиления без обратной связи)».

Здесь я предоставляю выдержку из Opamps для всех .

$100$$100$