Recientemente hice un circuito generador de forma de onda triangular usando el amplificador operacional LM324. Pero la salida del generador tenía algún tipo de picos periódicos. Sin embargo, pude suprimir los picos bajando la resistencia de carga (<= 1Kohm, 680ohm mataron completamente los picos). ¿Cuál puede ser la razón de eso? Mi primera suposición fue que puede haber un polo en algún lugar del circuito de retroalimentación debido a la impedancia parásita y la resistencia de carga más baja lo ha compensado.

Intenté el mismo circuito usando el amplificador operacional TL084 que tiene entradas JFET. ¡Esta vez los picos nunca estuvieron allí, incluso cuando la resistencia de carga no estaba conectada! Entonces, si hubo un polo en el circuito de retroalimentación, entonces los picos también deberían haber aparecido en este circuito. Me pregunto cuál puede ser la verdadera causa de los picos y cómo la resistencia de carga lo mató. Realmente aprecio la ayuda de alguien con experiencia en este campo.

Nota: utilicé una placa de prueba sin soldadura para construir el circuito

Esquemático:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Forma de onda (LM324)

Forma de onda (TL084):

Este es un gran ejemplo de por qué deben considerarse las diversas limitaciones físicas de los diferentes amplificadores operacionales.

Tienes razón, no es un poste. De hecho, no tiene nada que ver con el circuito en sí, ni con parásitos ocultos ni nada de eso.

Hay una pista enorme y vital escondida a plena vista. Los picos ocurren con el LM324. No lo hacen con el TL084. Ahí está tu respuesta, justo ahí. La causa tiene algo que ver con el LM324 mismo. Pero, ¿qué tiene el TL084 que no tiene el LM324?

Velocidad.

O más específicamente, velocidad de respuesta. Esa es la cantidad de voltios por microsegundo (o cualquier medida de tiempo que prefiera) que el amplificador operacional puede girar o mover su salida, independientemente de todas las demás consideraciones. Esto es distinto del cambio de fase. Me gusta pensar en la fase como un retraso que se introduce, es como el tiempo de reacción, pero el amplificador operacional todavía puede recrear fielmente la señal de entrada en su salida (o lo que sea que esté configurado para hacer el amplificador operacional), incluso si no está completamente en fase con la entrada.

La velocidad de respuesta no es eso. La velocidad de respuesta no es la velocidad en términos de retraso o tiempo de reacción. Se trata de qué tan rápido está cambiando la señal en sí. Si la señal de entrada cambia tan rápido que recrear la señal amplificada en la salida excedería la velocidad de respuesta de ese amplificador operacional ... no va a funcionar. El amplificador operacional simplemente no puede moverse tan rápido.

Lo que está viendo en este caso específico es cambiar el ruido de la primera onda cuadrada del LM324. Mire la onda triangular, así como la onda cuadrada en su osciloscopio, y debería ver los picos

Hay amplificadores operacionales que pueden generar varios miles de voltios por microsegundo. Para estos amplificadores operacionales muy rápidos y robustos ... bueno, su negocio se mueve. Y el negocio va bien.

Luego están los amplificadores operacionales que ni siquiera pueden manejar un voltio completo en un microsegundo. Amplificadores operacionales como el LM324. Tiene una velocidad de respuesta de solo 0.5V / µs. Para decirlo sin rodeos, es más lento que un perezoso en ketamina.

Debido a que es tan lento, en su circuito, no puede reaccionar lo suficientemente rápido.

Claro como el barro, ¿verdad? Déjame desglosarlo un poco.

¡Tiempo de cuentos!

Pido disculpas por adelantado, pero voy a personificar amplificadores operacionales porque, francamente, nadie me dijo que no lo hiciera.

Ignoremos el LM324 que genera la onda cuadrada, no es realmente un jugador importante en este fenómeno. Es suficiente tener en cuenta que el primer LM324 está allí para crear una onda tan cuadrada como sea posible, lo que impulsa la onda triangular desde el segundo LM324 más puntiagudo.

Ahora, nuestro segundo LM324 está configurado como un filtro de paso bajo, que también se puede ver como un integrador.

Para la primera parte de nuestra onda cuadrada, es baja, bajo tierra. Está en la región de la meseta, y nuestro integrador LM324 está cargando felizmente el condensador C1 a R3. La corriente es un Vin_low / R3 constante, y la salida del amplificador operacional aumenta linealmente a medida que se carga el condensador. Esto es lo que queremos, esto es lo que está generando esa onda triangular bien formada que construimos el circuito para producir.

Sin embargo, de repente, ocurre algo desastroso para nuestro pobre pequeño amplificador operacional. La entrada, casi sin advertencia, ha cambiado repentinamente de Vin_low (llamémosla -1V) a Vin_high, que es + 1V. ¡La entrada ha invertido completamente la polaridad, y rápido! Demasiado rápido para que este amplificador operacional similar a una tortuga pueda esperar mantenerse al día.

La velocidad de respuesta esencialmente expone la resistencia de salida distinta de cero de un amplificador operacional. Esto aumenta con las frecuencias más altas, lo que resulta en una pérdida de ganancia, hasta que realmente exija que el amplificador operacional gire tan rápido como sea posible, y ahora su salida actúa como una región lineal resistiva. Está tratando de forzar su salida tan rápido como sus pequeños transistores pueden manejar.

Entonces, lo que tenemos ahora es toda esa carga que nuestro LM324 pasó todo el ciclo bajo de la onda cuadrada empujando hacia el capacitor, con el nuevo voltaje de polaridad opuesta impreso en ese mismo capacitor. La salida no ha cambiado lo suficientemente rápido, por lo que obtenemos un pulso de corriente que se acopla a través del condensador a la entrada.

Puede verlo como forzando artificialmente el 'suelo' en la salida, o simplemente como un pulso de corriente que hace que la entrada se sobrepase y provoque un pico en la salida. Es un problema muy típico en integradores limitados de velocidad de giro como este.

Ahora, la resistencia de carga en realidad no está eliminando el pico, pero una vez que es lo suficientemente baja como para dominar cualquier corriente que normalmente deba depender de la resistencia de salida del amplificador operacional (que es más alta cuando la velocidad de rotación es limitada), entonces La magnitud de la espiga se reducirá cada vez más hasta que esté tan buena como desaparecida. Puede fluir a través de la resistencia de carga y verse menos afectado por la impedancia / resistencia de salida del amplificador operacional.

El TL084 funciona sin ninguna resistencia de carga porque su impedancia sigue siendo bastante baja, incluso en esos tiempos de subida y caída rápidos de la entrada de onda 'cuadrada'. Con mucho gusto toma con calma el cambio de onda cuadrada, mientras que simplemente confunde y asusta al pobre LM324.

Podemos decir que esto es lo que está sucediendo al observar la ubicación real de dónde están ocurriendo los picos. ¿Ves cómo no están perfectamente alineados con los picos y valles triangulares (que también son los puntos de cruce de onda cuadrada cero)? Los picos ocurren un poco después de eso. Huelo travesuras de condensadores.

Sí. Puede confirmar todo esto midiendo la corriente a través de C1, luego observando cómo eso impacta el voltaje de entrada justo después de R3. ¡Superponga su ola triangular de punta y estoy seguro de que podrá empíricamente poner este misterio a descansar!

Hice todo lo posible para explicarlo, pero no es tan fácil. Para obtener una explicación más similar a la de un libro de texto, consulte la "página" 6.180 de Signal Amplifiers de Walt Jung .

TLDR : los perezosos son lentos, especialmente con ketamina.