¿Cuáles son los factores limitantes de estos amplificadores operacionales?

Diseñé un filtro de paso de banda de retroalimentación múltiple

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

Las restricciones de diseño son que debo usar un amplificador operacional de un solo suministro .

Los cálculos se tomaron de Op-Amps For Everyone , y obtuve el resultado deseado con dos opamps: OP27 y OP355NA

Puntos a tener en cuenta:

• Intenté múltiples amplificadores operacionales JFET como se enumeran a continuación
• Se utilizó un amplificador operacional ideal para verificar que los cálculos sean correctos

El siguiente circuito se construyó y probó en el software Proteus y LTSpice. Ambos arrojaron los mismos resultados, que se esperaban.

Diseño de circuito :

Análisis analógico (ganancia de 2, centrada alrededor de 2.5V)

Respuesta de frecuencia ( Frecuencia central a 100 kHz)

El problema es que estas piezas son de montaje en superficie (OP355NA) o muy caras (OP27). No puedo pagar más de 20 dólares por un amplificador operacional.

Estos son los amplificadores operacionales de un solo carril que tengo a mi disposición, ¡y ninguno de ellos funciona como se esperaba!

• TL 081
• TL 082
• TL 071
• TL 074
• LM 358
• LM 324

Usaré TL071 y TL074 para simular a partir de ahora uno.

Todos los amplificadores operacionales están produciendo un resultado muy similar, la siguiente salida es de TL071 , probada tanto en Proteus como en LTSpice. Aquí, presento la versión LTSpice.

Análisis Analógico

(Voltaje disminuido pp)

Respuesta frecuente

(Frecuencia central desplazada a la izquierda)

Como se puede ver, la ganancia es incorrecta y la frecuencia central se desplaza hacia la izquierda. Este fue un tema recurrente para TODOS los amplificadores operacionales que tengo disponible.

Sé que los amplificadores operacionales mencionados anteriormente son todos diferentes, pero todos deberían ser capaces de proporcionar un voltaje de salida pico a pico de 1V a 100kHz. Los siguientes gráficos característicos son para TL071 y TL074, los cuales dan la misma respuesta incorrecta .

El ancho de banda de ganancia de utilidad es de 3MHz.

Seguramente me falta alguna especificación importante, que no estoy tomando en consideración, pero me parece muy extraño que ninguno de los amplificadores operacionales anteriores funcione correctamente para mi tarea actual.

1. ¿Por qué puedo lograr resultados correctos con OP27 (GBW = 8MHz) y no con Tl074 o Tl 081 ?

EDITAR:

Gracias a los útiles comentarios y respuestas, parece que subestimé los requisitos de mi circuito, principalmente la atenuación de la relación de resistencia de entrada (40dB)

Parece que está tratando de obtener una Q de alrededor de 20-40, simplemente mirándolo, por lo que el GBW tendrá que ser mucho más alto que la frecuencia central, y preferiblemente 5-10x eso, más como 10-40MHz .

1. ¿Por qué tengo una Q de alrededor de 20-40? No es Q el (frecuencia central / BW) o 100k / 10k (= 10) en mi caso.
2. Además, ¿por qué mi GBW debe estar alrededor de 5-10 veces la frecuencia central? ¿Hay algún cálculo al que uno deba referirse o algo por el estilo?

Parece que está tratando de obtener una Q de alrededor de 20-40, simplemente mirándolo, por lo que el GBW tendrá que ser mucho más alto que la frecuencia central, y preferiblemente 5-10x eso, más como 10-40MHz .

La "atenuación" de la que otros están hablando es la relación de resistencia que necesita para obtener esa Q alta, así que no creo que pueda evitar eso.

Estoy de acuerdo con Tim; no atenúe la señal de entrada innecesariamente mucho.

Entonces, su única opción es algo con más ganancia en y alrededor de 100 kHz.

Afortunadamente, todos los opamps que has probado tienen un ancho de banda bastante bajo (algunos de ellos tienen más de 40 años). Con alternativas de ganancia de ancho de banda de 10 MHz, probablemente debería estar bien:

Por ejemplo, el TL972 debería estar bien para esta aplicación y se puede obtener por (envío gratis) $ 0.67 cada uno en distribuidores de buena reputación . Pero no es una entrada JFET; sospecho que en realidad no le importa siempre que la corriente de entrada sea lo suficientemente baja.

Rrz0 .... déjame responder tus dos últimas preguntas:

(1) Si el producto de ancho de banda de ganancia no es lo suficientemente grande, tendrá un cambio de fase adicional (causado por opamp). Efecto típico: Mejora Q no deseada. El desplazamiento de fase adicional reduce el margen de fase y desplazará el polo más al eje imaginario, lo que aumenta el polo Q (idéntico al paso de banda Q).

(2) Cuando el GBW es de 10MHz, la ganancia de bucle abierto a 100kHz será de aplicación. 40 dB (100). Esto no es suficiente. Sin embargo, todos los cálculos se basan en un opamp IDEAL sin ningún cambio de fase no deseado, vea mi comentario arriba en (1). Incluso un cambio de fase adicional de 5 grados. causará una mejora Q severa.

(3) Tenga en cuenta que la topología de filtro seleccionada es muy sensible a los datos opamp no ideales (porque se basa en la ganancia de bucle abierto). Existen otras estructuras de filtro (basadas en Sallen-Key o GIC) que son menos sensibles a los parámetros opamp no ideales.

(4) Vale la pena mencionar que NO se le pedirá que use los llamados opamps de "suministro único". Todos los opamps pueden funcionar con una sola tensión de alimentación. Datos más importantes: GBW (lo más grande posible) y velocidad de respuesta suficiente (operación de señal grande).

EDITAR / ACTUALIZAR

El siguiente artículo contiene un tratamiento matemático para la influencia de la ganancia de lazo abierto finita y de frecuencia sobre un circuito de paso de banda MFB.

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

Resultado : un factor de 100 entre el GBW y la frecuencia pico de diseño conduce a una desviación de frecuencia de la aplicación. 15% ( corrección del 85 al 15%)

Aquí hay una discusión previa de los filtros de paso de banda. La respuesta con la herramienta Signal Chain Explorer presenta los efectos de varios Opamps de ancho de banda de ganancia de unidad.

Simulación y construcción de un filtro de paso de banda de retroalimentación múltiple

Recibí excelentes comentarios y respuestas a mi pregunta, sin embargo, me gustaría agregar lo que logré captar de diferentes respuestas y varios libros de texto en una sola respuesta. La siguiente información me ayudó a resolver mis problemas.

$Q$$A_v$$f_m$

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

$100$

Además, ¿por qué mi GBW debe estar alrededor de 5-10 veces la frecuencia central? ¿Hay algún cálculo al que uno deba referirse o algo por el estilo?

Por lo general, se incluye un factor de seguridad (sf) entre 5 y 10 para mantener la estabilidad alta y la distorsión baja.

Para calcular el GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Por lo tanto, GBW debe estar en el rango de 50-100MHz.

No es posible usar este tipo de filtro para trabajo de alta frecuencia y alta Q, ya que los amplificadores operacionales estándar pronto “se quedan sin vapor”. Dejando a un lado esta dificultad, las altas ganancias producidas incluso por valores moderados para Q pueden ser poco prácticas. Por lo tanto, debemos atenuar la señal de entrada.

$A_v=-2$$Q=10$

Atenuamos una relación de resistencia de 100 (R7 / R5) para compensar esto.

Seguramente me falta alguna especificación importante, que no estoy tomando en consideración, pero me parece muy extraño que ninguno de los amplificadores operacionales anteriores funcione correctamente para mi tarea actual.

$40dB$$6dB$

Como señaló @Markus Müller, estaba usando amplificadores operacionales antiguos. Hay alternativas mucho mejores, como el TL972 .

Como @LvW menciona, cuando el ancho de banda de ganancia no es lo suficientemente grande, la respuesta de frecuencia experimenta un cambio de fase. Además, se menciona correctamente el hecho de que "la topología de filtro seleccionada es muy sensible a los datos opamp no ideales (porque se basa en la ganancia de bucle abierto)".

Aquí proporciono un extracto de Opamps para todos .

$100$$100$