इन ऑप-एम्प्स के सीमित कारक क्या हैं?

Question

मैंने एक मल्टीपल फीडबैक बैंड पास फ़िल्टर डिज़ाइन किया है

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

डिज़ाइन प्रतिबंध यह है कि मुझे एकल-आपूर्ति परिचालन एम्पलीफायर का उपयोग करना चाहिए ।

गणना से हटा लिया गया हर कोई के लिए ओप-Amps , और मैं दो opamps के साथ वांछित परिणाम मिल गया: OP27 और OP355NA

नोट करने के लिए अंक:

• नीचे सूचीबद्ध के रूप में कई JFET सेशन- amps की कोशिश की
• आदर्श ऑप-एम्पी का उपयोग यह जांचने के लिए कि गणना सही है

नीचे के सर्किट का निर्माण और परीक्षण प्रोटीन और LTSpice दोनों सॉफ्टवेयर पर किया गया था। दोनों ही समान परिणाम देते हैं, जो अपेक्षित थे।

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सर्किट डिजाइन :

एनालॉग एनालिसिस (2 का लाभ, 2.5 वी के आसपास केंद्रित)

फ़्रीक्वेंसी रिस्पांस (सेंटर फ़्री 100kHz पर)

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मुद्दा यह है कि ये हिस्से या तो सतह माउंट (OP355NA) या बहुत महंगे (OP27) हैं। मैं एक सेशन के लिए 20 डॉलर से अधिक का भुगतान नहीं कर सकता ।

ये एकल-रेल op amps हैं जो मैंने अपने निपटान में उपलब्ध हैं, और उनमें से कोई भी उम्मीद के मुताबिक काम नहीं करता है!

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

मैं अब से अनुकरण करने के लिए TL071 और TL074 का उपयोग करूंगा।

सभी op-amps एक समान परिणाम का उत्पादन कर रहे हैं, निम्नलिखित उत्पादन TL071 से है , दोनों प्रोटीस और LTSpice पर परीक्षण किया गया है। यहाँ, मैं LTSpice संस्करण प्रस्तुत करता हूँ।

एनालॉग एनालिसिस

(घटित वोल्टेज पीपी)

आवृत्ति प्रतिक्रिया

(केंद्र आवृत्ति बाईं ओर स्थानांतरित कर दी गई)

जैसा कि देखा जा सकता है, लाभ गलत है और केंद्रीय आवृत्ति को बाईं ओर स्थानांतरित कर दिया गया है। यह मेरे द्वारा उपलब्ध सभी ऑप-एम्प्स के लिए एक आवर्ती विषय था ।

मुझे पता है कि ऊपर सूचीबद्ध op-amps सभी अलग-अलग हैं, लेकिन वे सभी 100kHz पर 1V के पीक वोल्टेज को आउटपुट चोटी प्रदान करने में सक्षम होना चाहिए। निम्नलिखित विशेषता ग्राफ TL071 और TL074 के लिए हैं, दोनों एक ही गलत प्रतिक्रिया देते हैं ।

उपयोगिता-लाभ बैंडविड्थ 3MHz है।

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निश्चित रूप से मुझे कुछ महत्वपूर्ण विनिर्देश याद आ रहे हैं, जिन पर मैं ध्यान नहीं दे रहा हूं, लेकिन मुझे यह बहुत अजीब लगता है कि उपरोक्त में से कोई भी op-amps मेरे वर्तमान कार्य के लिए ठीक से काम नहीं करता है।

1. मैं OP27 (GBW = 8MHz) के साथ सही परिणाम क्यों प्राप्त कर सकता हूं और Tl074 या Tl 081 के साथ नहीं ?

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संपादित करें:

सहायक टिप्पणियों और उत्तरों के लिए धन्यवाद, ऐसा लगता है कि मैंने अपनी सर्किट आवश्यकताओं को कम करके आंका है - मुख्य रूप से इनपुट प्रतिरोध अनुपात (40dB) से क्षीणन

ऐसा लगता है कि आप 20-40 के आसपास क्यू प्राप्त करने की कोशिश कर रहे हैं, बस इसे नेत्रगोलक करते हैं, इसलिए GBW को केंद्र आवृत्ति की तुलना में बहुत अधिक होना चाहिए, और अधिमानतः 5-10x कि, 10-40MHz की तरह ।

1. मेरे पास लगभग 20-40 का क्यू क्यों है? मेरे मामले में क्यू (केंद्र आवृत्ति / BW) या 100k / 10k (= 10) नहीं है।
2. इसके अलावा, मेरा GBW लगभग 5-10x केंद्र आवृत्ति क्यों होना चाहिए? क्या किसी प्रकार की गणना की जानी चाहिए या किसी भी प्रकार की होनी चाहिए?

Comments

79.9 का प्रतिरोध है$\Omega$आपके योजनाबद्ध में "80.4" लेबल वाले अवरोधक के लिए वास्तव में सही है?

— टिमस्कॉट 21

TL071 डेटा शीट का शाब्दिक अर्थ "SLOS080N - SEPTEMBER 1978 - REVISED JULY 2017" से शुरू होता है; तो, यह अब 40 साल का है :)

— मार्कस मूलर

TL08xx: "SLOS081I - FEBRUARY 1977 - REVISED MAY 2015", लगभग 42 साल पुराना है।

— मार्कस मुलर

(ओह, और एक व्यक्तिगत नोट पर: एसओआईसी जैसे एसएमडी पैकेज वास्तव में सोल्डर करने के लिए कठिन नहीं हैं, इसे आज़माएं। आप इसे पसंद करेंगे।)

— मार्कस मुलर

ब्राहन .... तो क्या? क्या आप वास्तव में सोचते हैं कि उनका उपयोग एकल-आपूर्ति अनुप्रयोगों के लिए नहीं किया जा सकता है?

— लविवि

Answer 1

ऐसा लगता है कि आप 20-40 के आसपास क्यू प्राप्त करने की कोशिश कर रहे हैं, बस इसे नेत्रगोलक करते हैं, इसलिए GBW को केंद्र आवृत्ति की तुलना में बहुत अधिक होना चाहिए, और अधिमानतः 5-10x कि, 10-40MHz की तरह ।

"क्षीणन" जिसके बारे में अन्य लोग बात कर रहे हैं, वह अवरोधक अनुपात है जिसे आपको उच्च क्यू प्राप्त करने की आवश्यकता है, इसलिए मुझे नहीं लगता कि आप इससे बच सकते हैं।

Comments

हां, मेरा यही मतलब है। धन्यवाद। लोगों को इस बात का एहसास नहीं है कि मेरी सोच से निकले शब्द कितने कठिन हैं: डी एंड हाँ, यह उच्च प्रतिबाधा स्रोत एक लाल हेरिंग था, अगर पूरी तरह से गलत भी नहीं है। निकाल देंगे।

— मार्कस मुलर

खतरे, तुम सही हो, और मेरा जवाब पूरी तरह से गलत था। मैंने अभी इसे डिलीट कर दिया है।

— टिमस्कॉट

@ सेफ़रो पेफेनी आपके उत्तर के लिए धन्यवाद। आप कैसे निष्कर्ष निकालते हैं कि मैं 20-40 के आसपास क्यू प्राप्त करने की कोशिश कर रहा हूं? मेरे मामले में क्यू (केंद्र आवृत्ति / BW) या 100k / 10k नहीं है। इसके अलावा, आप एक GBW कैसे प्राप्त कर सकते हैं जो केंद्र आवृत्ति 5-10x है? क्या किसी प्रकार की गणना किसी को या किसी भी प्रकार की होनी चाहिए?

— rrz0

@TimWescott, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि मैं लगभग 20-40 का क्यू चाहता था, नहीं? इसके अलावा, यही कारण है कि मैं पूछ रहा हूँ। जो कोई ऐसा नहीं कर रहा है वह हमेशा के लिए एक समान निष्कर्ष पर कैसे पहुंच सकता है।

— rrz0

यदि सर्किट को देखकर नहीं किया जाता है, तो आप आवृत्ति प्रतिक्रिया को देखकर क्यू पाते हैं। जब आप इसे हमेशा के लिए कर रहे हैं, तो आप बस देखते हैं। जब आप इसे हमेशा के लिए नहीं कर रहे हैं तो आप चोटी से नीचे प्रतिक्रिया 3 डी पर टिक मार्क (असली या आभासी) डालते हैं, तो आप उनके बीच आवृत्ति अवधि को मापते हैं (या नेत्रगोलक)। (सेंटर फ़्रीक्वेंसी) / (

— 3DB

Answer 2

मैं टिम से सहमत हूं; अनावश्यक रूप से बहुत ज्यादा इनपुट सिग्नल को अटेंड न करें।

फिर, आपकी एकमात्र पसंद 100 kHz पर और अधिक लाभ के साथ कुछ है।

सौभाग्य से, आपके द्वारा परीक्षण किए गए सभी opamps बहुत कम बैंडविड्थ हैं (उनमें से कुछ 40 साल से अधिक पुराने हैं)। 10 मेगाहर्ट्ज लाभ-बैंडविड्थ-उत्पाद विकल्पों के साथ, आपको संभवतः बहुत ठीक होना चाहिए:

उदाहरण के लिए, इस आवेदन के लिए TL972 ठीक होना चाहिए और सम्मानित वितरकों पर $ 0.67 की (मुफ्त शिपिंग) के लिए हो सकता है । लेकिन यह JFET इनपुट नहीं है - मेरा संदेह यह है कि आप वास्तव में तब तक देखभाल नहीं करते हैं जब तक इनपुट करंट कम पर्याप्त नहीं है।

Answer 3

Rrz0 .... मुझे आपके आखिरी दो सवालों के जवाब देने दें:

(1) यदि लाभ-बैंडविड्थ-उत्पाद पर्याप्त रूप से बड़ा नहीं है, तो आपके पास अतिरिक्त (ओपम्प के कारण) चरण शिफ्ट होगा। विशिष्ट प्रभाव: अवांछित क्यू-वृद्धि। अतिरिक्त चरण शिफ्ट चरण मार्जिन को कम कर देता है और ध्रुव को काल्पनिक अक्ष पर आगे स्थानांतरित कर देगा - जो पोल-क्यू (बैंडपास-क्यू के समान) को बढ़ाता है।

(2) जब GBW 10MHz है तो 100kHz पर ओपन-लूप का लाभ होगा। 40 डीबी (100)। यह पर्याप्त नहीं है। हालांकि, सभी गणना बिना किसी अवांछित चरण बदलाव के IDEAL opamp पर आधारित हैं, मेरी टिप्पणी को नीचे (1) से ऊपर देखें। यहां तक ​​कि 5 डिग्री की एक अतिरिक्त चरण पारी। एक गंभीर क्यू-वृद्धि का कारण होगा।

(3) कृपया ध्यान दें कि चयनित फ़िल्टर टोपोलॉजी गैर-आदर्श ओपैंप डेटा के लिए बहुत संवेदनशील है (क्योंकि यह ओपन-लूप पर आधारित है)। अन्य फ़िल्टर संरचनाएं (Sallen-Key या GIC- आधारित) हैं जो गैर-आदर्श opamp मापदंडों के लिए कम संवेदनशील हैं।

(४) यह ध्यान देने योग्य है कि आपको तथाकथित "सिंगल-सप्लाई" ओपम्प्स का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं होगी। सभी ओप्पैम्प्स केवल एक एकल आपूर्ति वोल्टेज के साथ संचालित किए जा सकते हैं। सबसे महत्वपूर्ण डेटा: जीबीडब्ल्यू (जितना संभव हो उतना बड़ा) और पर्याप्त नींद की दर (बड़े सिग्नल ऑपरेशन)।

संपादित करें / अपडेट

निम्नलिखित पेपर में एमएफबी-बैंडपास सर्किट पर परिमित और आवृत्ति ओपन-लूप लाभ के प्रभाव के लिए एक गणितीय उपचार होता है।

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

परिणाम : GBW और डिज़ाइन शिखर आवृत्ति के बीच 100 का एक कारक ऐप के एक आवृत्ति विचलन की ओर जाता है। 15% ( 85 से 15% से सुधार )

Comments

मेरे आखिरी दो सवालों के जवाब देने के लिए धन्यवाद। इस बुनियादी सवाल है, लेकिन बिंदु 4 के बारे में माफ करना, अगर मैं उपयोग करने का निर्णय OP27 जो एक "दोहरे आपूर्ति" op-amp रूप में सूचीबद्ध है मैं अभी भी एक सामान्य 0-5 वी बिजली की आपूर्ति के साथ काम करने में सक्षम हो जाएगा। ? यदि ऐसा है तो यह एक एकल और दोहरी आपूर्ति के रूप में सूचीबद्ध क्यों नहीं है?

— rrz0

इसके अलावा OP27 में केवल 8MHz का GBW है, लेकिन सिमुलेशन पर अच्छा काम करता है (विपरीत से अधिक GBW के साथ परीक्षण किया गया amps)। इसलिए यह हो सकता है कि जैसा कि आप बिंदु 3 में उल्लेख करते हैं, मेरे सर्किट के चेहरे पर अन्य बड़ी समस्याएं हैं जो

— जीबीडब्ल्यू

क्योंकि यह बुनियादी ज्ञान है कि प्रत्येक ओपैंप को एकल ओडर दोहरी आपूर्ति के साथ संचालित किया जा सकता है। एकमात्र अंतर डीसी पूर्वाग्रह बिंदु है। कुछ opamps डिज़ाइन किए गए हैं ताकि आउटपुट आयाम (लगभग) बिजली रेल सीमाओं तक पहुंच जाए - और, इसलिए, "एकल-आपूर्ति" ऑपरेशन के लिए - जितना संभव हो उतना अच्छा है। बस यही फर्क है।

— लविवि

मैंने ओपी -27 के साथ आपके सर्किट का एक सिमुलेशन (PSpice) किया। परिणाम: 89.4 kHz।

— लविवि

Answer 4

यहां बैंडपास फिल्टर की पूर्व चर्चा है। सिग्नल चेन एक्सप्लोरर उपकरण का उपयोग करने वाला उत्तर विभिन्न यूनिटी बैंडविड्थ बैंडविड्थ के प्रभावों को प्रस्तुत करता है।

मल्टीपल फीडबैक बैंड-पास फ़िल्टर का अनुकरण और निर्माण

Comments

यह एक अच्छी टिप्पणी है, लेकिन यह एक बहुत बुरा जवाब है। एक टिप्पणी में परिवर्तित करने का सुझाव दें, और उत्तर को हटा दें। वैकल्पिक रूप से, कृपया विस्तार करें।

— स्कॉट सीनमैन

Answer 5

मुझे अपने प्रश्न के लिए कुछ उत्कृष्ट टिप्पणियां और उत्तर मिले, हालांकि मैं एक उत्तर में विभिन्न उत्तरों और कई पाठ पुस्तकों से जो कुछ हासिल करने में कामयाब रहा, उसे जोड़ना चाहूंगा। नीचे दी गई जानकारी से मुझे अपने मुद्दों को हल करने में मदद मिली।

ऑप-एम्पी आवश्यकताओं को समझने के लिए, पहले यह समझना चाहिए कि मल्टीपल फीडबैक फिल्टर कैसे बनाया गया है। एमएफबी बैंड-पास समायोजित करने की अनुमति देता है$Q$, $A_v$ , तथा $f_m$ स्वतंत्र रूप से।

आम तौर पर एमएफबी के लिए शिखर हासिल होता है $A_v= -2Q^2$ और इसलिए, एक के लिए $Q = 10$, वोल्टेज लाभ होगा $200$। हम उसका निरीक्षण करते हैं$A_v$ के साथ चतुर्थांश बढ़ता है $Q$।

इस सर्किट को ठीक से काम करने के लिए, ऊपर प्रस्तुत प्रारंभिक डिजाइन के साथ जाने से, उपयोग किए गए सेशन amp का ओपनलूप लाभ अधिक से अधिक होना चाहिए $100$ चुने हुए केंद्र आवृत्ति पर।

इसके अलावा, मेरा GBW लगभग 5-10x केंद्र आवृत्ति क्यों होना चाहिए? क्या किसी प्रकार की गणना की जानी चाहिए या किसी भी प्रकार की होनी चाहिए?

आमतौर पर 5 और 10 के बीच एक सुरक्षा कारक (sf) स्थिरता को उच्च और विरूपण कम रखने के लिए शामिल किया जाता है।

GBW की गणना करने के लिए:

$GBW > sf*f_oA_v$

$GBW > sf*100k*102$

इसलिए GBW 50-100MHz की सीमा में होना चाहिए।

उच्च-आवृत्ति, उच्च-क्यू कार्य के लिए इस प्रकार के फिल्टर का उपयोग करना संभव नहीं है, क्योंकि मानक ऑप amps जल्द ही "भाप से बाहर" चलाते हैं। यह कठिनाई एक तरफ, क्यू के लिए भी उदारवादी मूल्यों द्वारा उत्पादित उच्च लाभ अच्छी तरह से अव्यावहारिक हो सकता है। इसलिए हमें इनपुट सिग्नल को अटेंड करना चाहिए।

इसलिए, जब से हमें जरूरत है $A_v=-2$ तथा $Q=10$, हम एक इनपुट attenuator की जरूरत है। यह वह क्षीणन था जिसका अन्य उत्तर उल्लेख कर रहे थे।

हम इसके लिए बनाने के लिए 100 (R7 / R5) के एक प्रतिरोधक अनुपात द्वारा आकर्षित करते हैं।

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निश्चित रूप से मुझे कुछ महत्वपूर्ण विनिर्देश याद आ रहे हैं, जिन पर मैं ध्यान नहीं दे रहा हूं, लेकिन मुझे यह बहुत अजीब लगता है कि उपरोक्त में से कोई भी op-amps मेरे वर्तमान कार्य के लिए ठीक से काम नहीं करता है।

ऊपर प्रस्तुत सर्किट के लिए, रोकनेवाला अनुपात द्वारा संकेत को दर्शाता है $40dB$ (100Av) तो मेरी लाभ की आवश्यकताएं $6dB$उस के ऊपर जोड़ दिए जाते हैं। सभी गणना है कि मैं प्रदर्शन कर रहा था नहीं था ध्यान में प्रारंभिक 40dB क्षीणन ले।

जैसा कि @Markus Müller ने बताया, मैं प्राचीन op-amps का उपयोग कर रहा था। टीएल 972 जैसे बहुत बेहतर विकल्प हैं ।

@LWW के अनुसार, जब लाभ-बैंडविड्थ पर्याप्त रूप से बड़ा नहीं होता है, तो आवृत्ति प्रतिक्रिया एक चरण बदलाव का अनुभव करती है। इसके अलावा, सही ढंग से उल्लेख किया गया है कि "चयनित फ़िल्टर टोपोलॉजी गैर-आदर्श opamp डेटा के लिए बहुत संवेदनशील है (क्योंकि यह ओपन-लूप लाभ पर आधारित है)।"

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यहाँ मैं सभी के लिए Opamps से एक अंश प्रदान करता हूँ ।

घटक मान समान हैं के बाद से मेरे मामले में संधारित्र का एक पहलू से छोटे होते हैं$100$ जबकि केंद्र आवृत्ति भी आवृत्ति से बड़ा है $100$।

Comments

Rrz0_one अतिरिक्त टिप्पणी: बड़े क्यू-मानों के लिए, यह नकारात्मक आरसी-प्रतिक्रिया पथ के अलावा एक छोटी सकारात्मक (प्रतिरोधक) प्रतिक्रिया का उपयोग करने के लिए एक प्रसिद्ध तरीका है। क्लासिकल एमएफबी-बैंडपास का यह विस्तार डेलीनेसिस के कारण है। इस मामले में, मिडबैंड गेन केवल Am = 2 * SQRT (2) * Q - 1. है। इस स्थिति में, R5 हटा दिया जाता है।

— :

एक तरफ, "मेरे मामले में कैपेसिटर 100 के एक कारक से बड़े होते हैं" आप छोटे मतलब है, लेकिन यह ठीक है। आपका उत्तर सही होने के काफी करीब है, लेकिन आपको धारा 16.8.4 पढ़नी चाहिए, जो आपके मुद्दों को कवर करती है। यह आपके सर्किट के लिए न्यूनतम लगभग 20 मेगाहर्ट्ज का जीबीडब्ल्यू (1% सटीकता की आवश्यकता मानते हुए) सुझाता है। और यह, ज़ाहिर है, किसी भी ऑप एम्प्स से परे का रास्ता है जिसे आप देख रहे थे।

— नॉर्थ ईस्ट

@WhatRoughBeast हाँ, आप सही हैं, सही हैं। मैं अपने डिजाइन को शुरू करने के बाद उस खंड में आया था, पहले के बजाय जैसा कि होना चाहिए था। संकेत के लिए धन्यवाद।

— rrz0