为什么这个LM324运算放大器不能再现高于一定频率的信号?

电器工程 运算放大器 解码器 r2r
2022-01-13 02:04:21

似乎不乏像这样试图将 R2R 用作 DAC 和运算的电路。放大器。作为输出缓冲区。这些对我来说很有意义,所以我决定尝试构建一个。

在此处输入图像描述

我构建了一个稍微简单的电路

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

该电路使用来自以单位增益运行的 LM324 的单个运算放大器。包装中的其他 3 个未连接。它由来自台式电源的正极轨上的 +12 VDC 驱动。

“4.4k”(2R)电阻实际上只是两个串联的 2.2k 电阻。

D1-D4 使用我编写的波表直接数字合成器在 atmega328p 上运行。我不会谈论那么多,但微控制器从 +5 VDC 运行,所以每条线路都是 0 或 5 VDC。

R13、Q1 和 R14 就是这样电路驱动某种现实世界的负载。晶体管充当反相放大器。

我最初省略了 R10 和 R12。我得到了这样的输出。

在此处输入图像描述

  • CH1 - 黄色 - DAC 的输出
  • CH2 - 蓝色 - op 的输出。放大器。

在这个频率下,这是相当合理的。 在此处输入图像描述

  • CH1 - 黄色 - DAC 的输出
  • CH2 - 蓝色 - op 的输出。放大器。

这相当出乎意料地产生了相移三角波。

此时我添加了 R10 和 R12。

  • CH1 - 黄色 - op 的非反相输入。放大器。
  • CH2 - 蓝色 - op 的输出。放大器。

这将输出电压减半,但输出更准确。从理论上讲,这种差异可以使用运算中的增益来弥补。放大器。

但是,它仍然无法在更高的频率下工作。

在此处输入图像描述

  • CH1 - 黄色 - op 的非反相输入。放大器。
  • CH2 - 蓝色 - op 的输出。放大器。

在这种情况下,它不仅会产生相位三角波,而且实际上不会使其达到 +2.5 VDC 或接地。

这是设置的物理照片:

在此处输入图像描述

由于我使用的是跳线和面包板,因此我的 DAC 可以产生的实际频率应该有一些上限。然而,我的示波器显示的 ~60 KHz 应该不是什么大问题。LM324 的数据表似乎表明 1 MHz 是运算的实际上限。放大器。在单位增益。显示的输出波形看起来像是运算内部的晶体管。放大器。饱和或类似的效果。我对运算放大器的了解还不够。

我是否可以对我的电路进行更改,以便在运算放大器输出端准确再现从 DC 到 60 kHz 的输入信号?

我正在寻找 LM324 的数据表:

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

4个回答

似乎您遇到了压摆率限制,并且您的输出呈现出所谓的“压摆引起的失真” - 运算放大器的输出摆幅受压摆率的限制,因此频率增加了最大输出摆幅的限制而没有“压摆引起的失真”减少 - 通常运算放大器数据表具有“输出摆幅与频率”图。

查看LM324 数据表的图 6根据您共享的示波器捕获,您的信号在图中的位置(见下文)。理想情况下,您希望保持“曲线下”。

如果您想了解有关压摆率的更多信息,请查看精密实验室中的“压摆率”系列,以进行运算放大器培训

在此处输入图像描述

LM324 是一款老旧且速度较慢的 OPA。它具有有限的“转换速率”,不超过 0.5 V/us,它不允许跟踪快于 1 MHz 的大幅度信号变化,正如您在自己的实验中发现的那样。

在此处输入图像描述

您无法采取任何措施来提高压摆率。您需要购买更快的运算放大器。

试试这个数据表
请参阅第 7 页的表 6.8 - 工作条件。
表中的第一个参数是“单位增益下的转换率”。
这告诉您运算放大器的输出可以移动多快,对于这个 LM324,它是 0.5V/μs - 几乎没有负载 (1MΩ || 30pF)。

从您的示波器测量来看,您看到的似乎是大约 0.2 到 0.25V/μs - 对于负载来说并非完全不合理。

一般的经验法则是运算放大器的全功率带宽(上限)约为单位增益频率的 10% 或更少。想想看。

单位增益意味着在制造商指定的任何测试条件下,您已达到增益最多等于 1 的频率。这也不是全强度输出。它只是意味着 Vout = Vin 的某个值远低于全功率。

在 100 KHZ 时 hFE 为 100 且具有全电压摆幅的晶体管在 1 MHZ 时可能输出 1 pp 电压,输入电压为 1 pp 电压。这是它所能做的最好的。

术语“单位增益”有点误导,因为它暗示了可用增益,但实际上它的增益已经达到了极限。对于具有规定增益的全功率输出,以单位增益的 10% 作为起点。

一些制造商通过增益与频率和负载等图表详细介绍了详细信息。如果它们在数据表上,请阅读这些详细信息,它们将有助于明确在全功率下可以预期可用增益的位置 - 或不。