Por que esse amplificador operacional LM324 não pode reproduzir um sinal acima de uma certa frequência?

Parece não haver escassez de circuitos como este que tentam usar um R2R como DAC e um op. amp. como um buffer de saída. Isso faz sentido para mim, então decidi tentar construir um.

Eu construí um circuito um pouco mais simples

^{simule este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Este circuito usa um único amplificador operacional de um LM324 operando com ganho unitário. Os outros 3 no pacote são deixados desconectados. É acionado a partir de +12 VCC no trilho positivo, proveniente de uma fonte de alimentação de bancada.

Os resistores "4.4k" (2R) são na verdade apenas dois resistores de 2.2k em série.

O D1-D4 está sendo executado em um atmega328p usando um sintetizador digital direto de tabela de ondas que escrevi. Não vou falar muito sobre isso, mas o microcontrolador funciona a partir de +5 VCC, então cada linha é de 0 ou 5 VDC.

R13, Q1 e R14 eram apenas para que o circuito estivesse conduzindo algum tipo de carga no mundo real. O transistor está atuando como um amplificador inversor.

Omiti originalmente o R10 e o R12. Eu tenho saída assim.

• CH1 - amarelo - saída de DAC
• CH2 - azul - saída de op. amp.

Nessa frequência, era bastante razoável.

• CH1 - amarelo - saída de DAC
• CH2 - azul - saída de op. amp.

Isso inesperadamente produz uma onda triangular com deslocamento de fase.

Neste ponto, adicionei R10 e R12.

• CH1 - amarelo - entrada não inversora de op. amp.
• CH2 - azul - saída de op. amp.

Isso cortou a tensão de saída pela metade, mas resultou em uma saída mais precisa. Essa diferença pode teoricamente ser compensada usando ganho no op. amp.

No entanto, ainda não funciona em frequências mais altas.

• CH1 - amarelo - entrada não inversora de op. amp.
• CH2 - azul - saída de op. amp.

Nesse caso, ele não apenas produz uma onda triangular de fase, como na verdade nunca chega a +2,5 VCC ou volta ao solo.

Aqui está uma foto física da instalação:

Como estou usando fios de jumper e tábuas de pão, deve haver algum limite superior à frequência prática que meu DAC pode produzir. No entanto, o ~ 60 KHz indicado pelo meu escopo não deve ser um problema. A folha de dados do LM324 parece sugerir que 1 MHz é o limite superior prático para o op. amp. no ganho de unidade. A forma de onda de saída mostrada parece com os transistores dentro do op. amp. são saturados ou um efeito similar. Eu não sei o suficiente sobre amplificadores operacionais.

Há uma alteração que posso fazer no meu circuito para obter uma reprodução precisa do sinal de entrada na saída do amplificador operacional de DC a 60 kHz?

Folha de dados que eu estava procurando pelo LM324:

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

Parece que você está enfrentando limitações de taxa de rotação, e sua saída está apresentando o que é chamado de ' distorção induzida por rotação ' - o balanço de saída do Op-Amp é limitado pela taxa de rotação, de modo que a frequência aumenta o limite para o balanço máximo de saída sem A ' Distorção induzida por rotação ' diminui - normalmente, a folha de dados dos amplificadores de operação (Op Amps) possui um gráfico ' Saída de oscilação versus frequência '.

Dê uma olhada na Figura 6 da folha de dados do LM324 e onde seu sinal está no gráfico de acordo com as capturas de escopo que você compartilhou (veja abaixo). Idealmente, você gostaria de ficar "sob a curva".

Se você quiser saber mais sobre o Slew Rate, dê uma olhada na série 'Slew Rate' no treinamento Precision Labs para Op Amps .

O LM324 é um OPA antigo e lento. Ele tem uma "taxa de variação" limitada, não superior a 0,5 V / us, o que não permite acompanhar grandes alterações de sinal de amplitude mais rápido que 1 MHz, como você encontrou em seu próprio experimento.

Não há nada que você possa fazer para melhorar a taxa de variação. Você precisa adquirir um amplificador operacional mais rápido.

Experimente esta folha de dados .
Consulte a Tabela 6.8 - Condições de operação na página 7.
O 1º parâmetro da tabela é a "Taxa de rotação no ganho da unidade".
Isso indica a rapidez com que a saída do opamp pode se mover, e para este LM324 é de 0,5V / μs - e isso quase sem carga (1MΩ || 30pF).

A partir das medições do seu escopo, parece que você está vendo cerca de 0,2 a 0,25 V / μs - não totalmente irracional com uma carga.

A regra geral é que a largura de banda de potência total dos amplificadores operacionais (limite superior) é de cerca de 10% ou menos da frequência de ganho da unidade. Pense nisso.

Ganho unitário significa que você atingiu uma frequência em que o ganho é igual a um, na melhor das hipóteses, sob quaisquer condições de teste especificadas pela manufatura. Esta também não é uma saída de força total. Significa simplesmente Vout = Vin com algum valor muito menor que a potência total.

Um transistor com um hFE de 100 a 100 KHZ e oscilação de tensão total pode produzir 1 volt pp a 1 MHZ, com uma entrada de 1 volt pp. É o melhor que pode fazer.

O termo "ganho de unidade" é um pouco enganador, porque implica em ganhos utilizáveis, mas, na verdade, seu ganho atingiu seu limite. Para potência total com ganho declarado, considere 10% do ganho unitário como ponto de partida.

Alguns fabricantes entram em detalhes elaborados com gráficos para ganho vs. frequência e carga, etc. Leia esses detalhes se estiverem na folha de dados e ajudarão a esclarecer onde você pode esperar ganho útil com potência máxima - ou não.

Experimente este circuito transistor

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Com uma sonda de escopo 10X padrão no Vout (aproximadamente 13pF), você terá cerca de 3 nanossegundos (50.000.000 Hertz) de largura de banda. Ajuste R9 para controlar a linha de base da tensão de saída.

Você pode aumentar R3 para 220 ou 330 ou 430 ohms; nos valores de resistência mais altos, a capacitância da base do coletor aumentará quando o Vout estiver próximo de 1,0v e você verá um assentamento mais lento. Assim, resulta um comportamento não linear de alta frequência (distorção de 2ª harmônica) e você obtém intermodulação de soma / diferença. Com apenas 4 bits, duvido que isso seja um problema para você. Mas você pode escalar mais alguns resistores, para 6 ou 8 bits, e alimentar com formas de onda de soma de pecado pré-enlatadas e depois examinar a FFT em um osciloscópio ou analisador de espectro.

Aprimoramento de desempenho: se você pode desviar a parte inferior dos 2 resistores: R1 e R9, para -0,2 volts, sua linearidade melhorará, provavelmente detectável para bits grandes. Observe que o carregamento nas linhas de entrada lógica não é consistente e isso também produz não linearidades.

O uso da direção de corrente diferencial, talvez com fontes de corrente bipolares e interruptores de diodo usados ​​para dirigir, reduz a não-linearidade. Em algum momento, você construiu um DAC08 caro da Precision Monolithics Corp, mas com largura de banda de 20 MHz a 50 MHz. Examine essa folha de dados.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/dac0800.pdf