Quais são os fatores limitantes desses amplificadores operacionais?

Eu projetei um filtro de passagem de banda com vários comentários

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

As restrições de projeto são que eu devo usar um amplificador operacional de fornecimento único .

Os cálculos foram retirados dos amplificadores operacionais para todos , e obtive o resultado desejado com dois opamps: OP27 e OP355NA

Pontos a serem observados:

• Tentei vários amplificadores operacionais JFET, conforme listado abaixo
• Op-amp ideal usado para verificar se os cálculos estão corretos

O circuito abaixo foi construído e testado nos softwares Proteus e LTSpice. Ambos produzindo os mesmos resultados, que eram esperados.

Projeto de circuito :

Análise analógica (ganho de 2, centrado em torno de 2,5V)

Resposta de Freqüência (Freio Central a 100kHz)

O problema é que essas peças são montadas na superfície (OP355NA) ou muito caras (OP27). Não posso pagar mais de 20 dólares por um amplificador operacional.

Esses são os amplificadores operacionais de trilho único que tenho à minha disposição e nenhum deles funciona como esperado!

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

Eu vou estar usando TL071 e TL074 para simular a partir de agora um.

Todos os amplificadores operacionais estão produzindo um resultado muito semelhante, a seguinte saída é do TL071 , testado no Proteus e no LTSpice. Aqui, apresento a versão do LTSpice.

Análise Analógica

(Diminuição da tensão pp)

Resposta de Freqüência

(Frequência central deslocada para a esquerda)

Como pode ser visto, o ganho está incorreto e a frequência central é deslocada para a esquerda. Este foi um tema recorrente para TODOS os amplificadores operacionais disponíveis.

Eu sei que os amplificadores operacionais listados acima são todos diferentes, mas todos devem ser capazes de fornecer um pico de saída para pico de tensão de 1V a 100kHz. Os gráficos de características a seguir são para o TL071 e TL074, ambos com a mesma resposta incorreta .

A largura de banda de ganho de utilidade é de 3 MHz.

Certamente estou perdendo alguma especificação importante, que não estou levando em consideração, mas acho muito estranho que nenhum dos amplificadores operacionais acima funcione corretamente para a minha tarefa atual.

1. Por que posso obter resultados corretos com OP27 (GBW = 8MHz) e não com Tl074 ou Tl 081 ?

EDITAR:

Graças aos comentários e respostas úteis, parece que subestimei meus requisitos de circuito - Principalmente a atenuação da taxa de resistência de entrada (40dB)

Parece que você está tentando obter um Q em torno de 20-40, apenas observando, então o GBW terá que ser muito mais alto que a frequência central e, de preferência, 5-10x, mais parecido com 10-40MHz .

1. Por que eu tenho um Q em torno de 20-40? Não é Q a (frequência central / BW) ou 100k / 10k (= 10) no meu caso.
2. Além disso, por que meu GBW deve estar em torno de 5 a 10 vezes a frequência central? Existem cálculos aos quais devemos nos referir ou algo do tipo?

Parece que você está tentando obter um Q em torno de 20-40, apenas observando, então o GBW terá que ser muito mais alto que a frequência central e, de preferência, 5-10x, mais parecido com 10-40MHz .

A "atenuação" de que os outros estão falando é a relação do resistor de que você precisa para obter um Q alto, de modo que não acho que possa evitar isso.

Eu concordo com o Tim; não atenue desnecessariamente o sinal de entrada.

Então, sua única escolha é algo com mais ganho a cerca de 100 kHz.

Felizmente, todos os opamps que você testou têm uma largura de banda muito baixa (alguns deles têm mais de 40 anos). Com alternativas de produto com largura de banda de ganho de 10 MHz, você provavelmente deve estar bem:

Por exemplo, o TL972 deve ser bom para esta aplicação e pode ser adquirido por (frete grátis) $ 0,67 cada em distribuidores respeitáveis . Mas não é uma entrada JFET - minha suspeita é que você realmente não se importa, desde que a corrente de entrada seja baixa o suficiente.

Rrz0 .... deixe-me responder suas duas últimas perguntas:

(1) Se o produto da largura de banda de ganho não for suficientemente grande, você terá uma mudança de fase adicional (causada por opamp). Efeito típico: aprimoramento indesejado de Q. A mudança de fase adicional reduz a margem de fase e desloca o polo mais para o eixo imaginário - o que aumenta o polo-Q (idêntico ao passa-banda-Q).

(2) Quando o GBW é 10MHz, o ganho de malha aberta a 100kHz será de aproximadamente. 40 dB (100). Isto não é suficiente. No entanto, todos os cálculos são baseados em um opamp IDEAL sem nenhuma mudança de fase indesejada, veja meu comentário acima em (1). Mesmo uma mudança de fase adicional de 5 graus. causará um severo aprimoramento de Q.

(3) Observe que a topologia de filtro selecionada é muito sensível aos dados opamp não ideais (porque é baseada no ganho de malha aberta). Existem outras estruturas de filtro (baseadas em Sallen-Key ou GIC) que são menos sensíveis a parâmetros opamp não ideais.

(4) Vale ressaltar que você NÃO precisará usar os chamados opamps de "fornecimento único". Todos os opamps podem ser operados apenas com uma única tensão de alimentação. Dados mais importantes: GBW (o maior possível) e taxa de giro suficiente (operação de sinal grande).

EDITAR / ATUALIZAR

O artigo a seguir contém um tratamento matemático para a influência do ganho de malha aberta finita e de frequência em um circuito de passagem de banda MFB.

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

Resultado : um fator de 100 entre o GBW e a frequência de pico do design leva a um desvio de frequência do aplicativo. 15% ( correção de 85 a 15%)

Aqui está uma discussão anterior sobre filtros passa-banda. A resposta usando a ferramenta Signal Chain Explorer apresenta os efeitos de vários Opamps do Unity Gain Bandwidth.

Simulando e criando um filtro passa-banda com vários comentários

Recebi excelentes comentários e respostas à minha pergunta, mas gostaria de acrescentar o que consegui captar de diferentes respostas e vários livros de texto em uma única resposta. As informações abaixo me ajudaram a resolver meus problemas em questão.

$Q$$A_v$$f_m$

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

$100$

Além disso, por que meu GBW deve estar em torno de 5 a 10 vezes a frequência central? Existem cálculos aos quais devemos nos referir ou algo do tipo?

Geralmente, um fator de segurança (sf) entre 5 e 10 é incluído para manter a estabilidade alta e a distorção baixa.

Para calcular o GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Portanto, o GBW deve estar na faixa de 50 a 100 MHz.

Não é possível usar esse tipo de filtro para trabalhos de alta frequência e alto Q, pois os amplificadores operacionais comuns logo ficam sem vapor. Além dessa dificuldade, os altos ganhos produzidos por valores moderados mesmo para Q podem muito bem ser impraticáveis. Portanto, devemos atenuar o sinal de entrada.

$A_v=-2$$Q=10$

Atenuamos por uma taxa de resistor de 100 (R7 / R5) para compensar isso.

Certamente estou perdendo alguma especificação importante, que não estou levando em consideração, mas acho muito estranho que nenhum dos amplificadores operacionais acima funcione corretamente para a minha tarefa atual.

$40dB$$6dB$

Como @Markus Müller apontou, eu estava usando amplificadores operacionais antigos. Existem alternativas muito melhores, como o TL972 .

Como o @LvW menciona, quando o ganho de largura de banda não é grande o suficiente, a resposta de frequência sofre uma mudança de fase. Além disso, mencionado corretamente é o fato de que "a topologia de filtro selecionada é muito sensível aos dados opamp não ideais (porque é baseada no ganho de malha aberta)".

Aqui, forneço um trecho do Opamps for Everyone .

$100$$100$