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

Parece que no faltan circuitos como este que intentan usar un R2R como un DAC y un op. amperio. como un búfer de salida. Esto tiene sentido para mí, así que decidí intentar construir uno.

Construí un circuito un poco más simple

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Este circuito utiliza un único amplificador operacional de un LM324 que funciona con ganancia unitaria. Los otros 3 en el paquete quedan sin conectar. Se maneja desde +12 VDC en el riel positivo que proviene de una fuente de alimentación de banco.

Las resistencias "4.4k" (2R) son realmente solo dos resistencias 2.2k en serie.

D1-D4 se están ejecutando en un atmega328p usando un sintetizador digital directo de tabla de ondas que escribí. No voy a hablar mucho de eso, pero el microcontrolador funciona desde +5 VCC, por lo que cada línea tiene 0 o 5 VCC.

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

Originalmente omití R10 y R12. Obtuve resultados como este.

• CH1 - amarillo - salida de DAC
• CH2 - azul - salida de op. amperio.

A esta frecuencia era bastante razonable.

• CH1 - amarillo - salida de DAC
• CH2 - azul - salida de op. amperio.

Esto inesperadamente produce una onda triangular desplazada de fase.

En este punto agregué R10 y R12.

• CH1 - amarillo - entrada no inversora de op. amperio.
• CH2 - azul - salida de op. amperio.

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

Sin embargo, todavía no funciona a frecuencias más altas.

• CH1 - amarillo - entrada no inversora de op. amperio.
• CH2 - azul - salida de op. amperio.

En este caso, no solo produce una onda triangular de fase, sino que en realidad nunca llega a +2.5 VDC o vuelve a tierra.

Aquí hay una foto física de la configuración:

Como estoy usando cables de puente y paneles de prueba, debería haber un límite superior para la frecuencia práctica que mi DAC puede producir. Sin embargo, los ~ 60 KHz que indica mi alcance no deberían ser un gran problema. La hoja de datos para el LM324 parece sugerir que 1 MHz es el límite superior práctico para la operación. amperio. a la ganancia de la unidad. La forma de onda de salida que se muestra parece los transistores dentro de la operación. amperio. están saturados o tienen un efecto similar. No sé lo suficiente sobre 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 de CC a 60 kHz?

Hoja de datos que estaba buscando para el LM324:

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

Parece que se encuentra con limitaciones de velocidad de rotación, y su salida presenta lo que se llama ' distorsión inducida por rotación ': la oscilación de salida del amplificador operacional está limitada por la velocidad de rotación, por lo que a medida que la frecuencia aumenta el límite para la oscilación de salida máxima sin La ' distorsión inducida por la rotación ' disminuye: por lo general, la hoja de datos de amplificadores operacionales tiene una gráfica de ' oscilación de salida frente a frecuencia '.

Eche un vistazo a la Figura 6 de la Hoja de datos de LM324 y dónde se encuentra su señal en el gráfico de acuerdo con las capturas de alcance que compartió (ver a continuación). Idealmente, querrás permanecer "debajo de la curva".

Si desea obtener más información sobre Slew Rate, eche un vistazo a la serie 'Slew Rate' en los Laboratorios de precisión para el entrenamiento de amplificadores operacionales .

El LM324 es un OPA antiguo y lento. Tiene una "velocidad 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 encontró en su propio experimento.

No hay nada que pueda hacer para mejorar la velocidad de respuesta. Necesita adquirir un amplificador operacional más rápido.

Pruebe esta hoja de datos en su lugar.
Consulte la Tabla 6.8 - Condiciones de funcionamiento en la página 7.
El primer parámetro de la tabla es la "Velocidad de respuesta a la ganancia unitaria".
Esto le dice qué tan rápido puede moverse la salida del opamp, y para este LM324 es 0.5V / μs, y eso es casi sin carga (1MΩ || 30pF).

Según las mediciones de su alcance, parece que está viendo alrededor de 0.2 a 0.25V / μs, lo que no es del todo irrazonable con una carga.

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

La ganancia de unidad significa que ha alcanzado una frecuencia en la que la ganancia es igual a uno en el mejor de los casos, en cualquier condición de prueba que especifique el fabricante. Esta NO es una salida de fuerza completa tampoco. Simplemente significa Vout = Vin a un valor mucho menor que la potencia total.

Un transistor con un hFE de 100 a 100 KHZ y oscilación de voltaje completo puede generar 1 volt pp a 1 MHZ, con una entrada de 1 volt pp. Eso es lo mejor que puede hacer.

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

Algunos fabricantes entran en detalles elaborados con gráficos de ganancia frente a frecuencia y carga, etc. Lea esos detalles si están en la hoja de datos y ayudarán a aclarar dónde puede esperar una ganancia utilizable a plena potencia, o no.

Prueba este circuito de transistor

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Con una sonda de alcance estándar de 10X en Vout (13pF más o menos), tendrá un ancho de banda de aproximadamente 3 nanosegundos (50,000,000 Hertz). Ajuste R9 para controlar la línea base de voltaje de salida.

Puede aumentar R3 a 220 o 330 o 430 ohmios; con los valores de resistencia más altos, la capacitancia de la base del colector aumentará cuando Vout esté cerca de 1.0v y verá un asentamiento más lento. Por lo tanto, se produce un comportamiento no lineal de alta frecuencia (distorsión del segundo armónico) y obtendrá una intermodulación de suma / diferencia. Con solo 4 bits, dudo que esto sea un problema para usted. Pero puede escalar algunas resistencias más, a 6 u 8 bits, y alimentar con formas de onda de suma de pecado pre-enlatadas y luego examinar el FFT en un analizador de espectro o de alcance.

Mejora del rendimiento: si puede polarizar la parte inferior de las 2 resistencias: R1 y R9, a -0.2 voltios, entonces su linealidad mejorará, probablemente detectable para #bits grandes. Tenga en cuenta que la carga en las líneas de entrada lógica no es coherente, y esto también produce no linealidades.

El uso de la dirección de corriente diferencial, tal vez con fuentes de corriente bipolares e interruptores de diodo utilizados para dirigir, reduce la no linealidad. En algún momento, ha construido un DAC08 caro 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