Apa faktor pembatas op-amp ini?

Saya merancang beberapa filter pass band umpan balik

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

Batasan desain adalah saya harus menggunakan penguat operasional pasokan tunggal .

Perhitungan diambil dari Op-Amps Untuk Semua , dan saya mendapat hasil yang diinginkan dengan dua opamps: OP27 dan OP355NA

Poin yang perlu diperhatikan:

• Mencoba beberapa op-amp JFET seperti yang tercantum di bawah ini
• Op-amp yang digunakan ideal untuk memeriksa apakah perhitungannya benar

Sirkuit di bawah ini dibangun dan diuji pada perangkat lunak Proteus dan LTSpice. Keduanya menghasilkan hasil yang sama, yang diharapkan.

Desain sirkuit :

Analisis Analog (Gain of 2, berpusat di sekitar 2.5V)

Respon Frekuensi (Center Fre at 100kHz)

Masalahnya adalah bahwa bagian-bagian ini adalah permukaan mount (OP355NA) atau sangat mahal (OP27). Saya tidak mampu membayar lebih dari 20 dolar untuk op-amp.

Ini adalah op-rail single-rail yang saya miliki, dan tidak ada yang berfungsi seperti yang diharapkan!

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

Saya akan menggunakan TL071 dan TL074 untuk mensimulasikan dari sekarang.

Semua op-amp mengeluarkan hasil yang sangat mirip, keluaran berikut dari TL071 , diuji pada Proteus dan LTSpice. Di sini, saya menyajikan versi LTSpice.

Analisis Analog

(Penurunan voltase pp)

Respon Frekuensi

(Frekuensi Tengah bergeser ke kiri)

Seperti dapat dilihat, gain tidak benar dan frekuensi pusat digeser ke kiri. Ini adalah tema berulang untuk SEMUA op-amp yang saya miliki.

Saya tahu bahwa op-amp yang tercantum di atas semuanya berbeda, tetapi mereka semua harus dapat memberikan puncak output ke tegangan puncak 1V pada 100kHz. Grafik karakteristik berikut adalah untuk TL071 dan TL074, keduanya memberikan respon yang salah sama .

Bandwidth utilitas-gain adalah 3MHz.

Tentunya saya kehilangan beberapa spesifikasi penting, yang tidak saya pertimbangkan, tetapi saya merasa sangat aneh bahwa tidak ada op-amp di atas yang berfungsi dengan baik untuk tugas saya saat ini.

1. Mengapa saya dapat mencapai hasil yang benar dengan OP27 (GBW = 8MHz) dan tidak dengan Tl074 atau Tl 081 ?

EDIT:

Berkat komentar dan jawaban yang bermanfaat, sepertinya saya meremehkan persyaratan rangkaian saya - Terutama pelemahan dari rasio resistansi input (40dB)

Sepertinya Anda mencoba untuk mendapatkan Q sekitar 20-40, hanya melihatnya saja, jadi GBW harus jauh lebih tinggi daripada frekuensi pusat, dan lebih disukai 5-10x itu, jadi lebih seperti 10-40MHz .

1. Mengapa saya memiliki Q sekitar 20-40? Bukankah Q the (frekuensi tengah / BW) atau 100k / 10k (= 10) dalam kasus saya.
2. Juga, mengapa GBW saya harus sekitar 5-10x frekuensi pusat? Apakah ada perhitungan yang harus dirujuk atau semacamnya?

Sepertinya Anda mencoba untuk mendapatkan Q sekitar 20-40, hanya melihatnya saja, jadi GBW harus jauh lebih tinggi daripada frekuensi pusat, dan lebih disukai 5-10x itu, jadi lebih seperti 10-40MHz .

"Redaman" yang dibicarakan orang lain adalah rasio resistor yang Anda perlukan untuk mendapatkan Q tinggi, jadi saya rasa Anda tidak bisa menghindarinya.

Saya setuju dengan Tim; jangan menipiskan sinyal input terlalu banyak.

Kemudian, satu-satunya pilihan Anda adalah sesuatu dengan gain lebih banyak pada dan sekitar 100 kHz.

Untungnya, semua opamps yang Anda uji memiliki bandwidth yang cukup rendah (beberapa di antaranya berusia lebih dari 40 tahun). Dengan 10 MHz gain-bandwidth-produk alternatif, Anda mungkin harus cukup baik:

Misalnya, TL972 harus OK untuk aplikasi ini dan dapat dimiliki untuk (pengiriman gratis) $ 0,67 masing-masing di distributor terkemuka . Tapi itu bukan input JFET - kecurigaan saya adalah bahwa Anda tidak benar-benar peduli selama arus input cukup rendah.

Rrz0 .... izinkan saya menjawab dua pertanyaan terakhir Anda:

(1) Jika produk gain-bandwidth-tidak cukup besar Anda akan memiliki tambahan pergeseran fase (opamp disebabkan). Efek khas: Peningkatan Q yang tidak diinginkan. Pergeseran fase tambahan mengurangi margin fase dan akan menggeser kutub lebih jauh ke sumbu imajiner - yang memperbesar kutub-Q (identik dengan bandpass-Q).

(2) Ketika GBW adalah 10MHz, gain loop terbuka pada 100kHz akan menjadi aplikasi. 40 dB (100). Ini tidak cukup. Namun, semua perhitungan didasarkan pada opamp IDEAL tanpa perubahan fase yang tidak diinginkan, lihat komentar saya di bawah (1). Bahkan perubahan fase tambahan 5 deg. akan menyebabkan peningkatan Q yang parah.

(3) Harap dicatat bahwa topologi filter yang dipilih sangat sensitif terhadap data opamp yang tidak ideal (karena didasarkan pada gain loop terbuka). Ada struktur filter lain (Sallen-Key atau berbasis GIC) yang kurang sensitif terhadap parameter opamp yang tidak ideal.

(4) Perlu disebutkan bahwa Anda TIDAK akan diharuskan untuk menggunakan apa yang disebut "pasokan tunggal". Semua opamps dapat dioperasikan dengan satu tegangan suplai saja. Data terpenting: GBW (sebesar mungkin) dan laju perubahan tegangan yang memadai (operasi sinyal besar).

EDIT / PEMBARUAN

Makalah berikut berisi perlakuan matematika untuk pengaruh gain loop terbuka terbatas dan frekuensi pada sirkuit bandpass-MFB.

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

Hasil : Faktor 100 antara GBW dan frekuensi puncak desain menyebabkan penyimpangan frekuensi aplikasi. 15% ( koreksi dari 85 hingga 15%)

Berikut ini adalah diskusi sebelumnya tentang filter bandpass. Jawabannya menggunakan alat Explorer Chain Signal menyajikan efek dari berbagai Unlimited Gain Bandwidth Opamps.

Mensimulasikan dan Membangun Filter Umpan Balik Band-Pass Beberapa Umpan Balik

Saya mendapat beberapa komentar dan jawaban yang bagus untuk pertanyaan saya, namun saya ingin menambahkan apa yang berhasil saya pahami dari berbagai jawaban dan beberapa buku teks dalam satu jawaban utuh. Informasi di bawah ini membantu saya untuk menyelesaikan masalah saya.

$Q$$A_v$$f_m$

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

$100$

Juga, mengapa GBW saya harus sekitar 5-10x frekuensi pusat? Apakah ada perhitungan yang harus dirujuk atau semacamnya?

Biasanya, faktor keamanan (sf) antara 5 dan 10 dimasukkan untuk menjaga stabilitas tinggi dan distorsi tetap rendah.

Untuk menghitung GBW:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

Oleh karena itu GBW harus berada dalam kisaran 50-100MHz.

Tidak mungkin untuk menggunakan jenis filter ini untuk frekuensi tinggi, kerja Q tinggi, karena op amp standar segera "kehabisan tenaga". Di samping kesulitan ini, perolehan tinggi yang dihasilkan oleh nilai Q moderat sekalipun mungkin tidak praktis. Karena itu kita harus menipiskan sinyal input.

$A_v=-2$$Q=10$

Kami menipiskan dengan rasio resistor 100 (R7 / R5) untuk menebus ini.

Tentunya saya kehilangan beberapa spesifikasi penting, yang tidak saya pertimbangkan, tetapi saya merasa sangat aneh bahwa tidak ada op-amp di atas yang berfungsi dengan baik untuk tugas saya saat ini.

$40dB$$6dB$

Seperti yang ditunjukkan oleh @Markus Müller, saya menggunakan op-amp kuno. Ada banyak alternatif yang lebih baik seperti TL972 .

Seperti @LvW menyebutkan, ketika gain-bandwidth tidak cukup besar, respons frekuensi mengalami pergeseran fase. Juga, yang disebutkan dengan benar adalah fakta bahwa "topologi filter yang dipilih sangat sensitif terhadap data opamp yang tidak ideal (karena didasarkan pada gain loop terbuka)."

Di sini saya memberikan kutipan dari Opamps untuk Semua Orang .

Itu komponen identik karena dalam kasus saya kapasitor lebih kecil oleh faktor$100$ sedangkan frekuensi pusat juga lebih besar oleh $100$.