Frage:
Operationsverstärker als Komparator bei hoher Frequenz
Bud
2019-04-05 15:51:38 UTC
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Ich versuche, mit analogen Schaltungen ein sinusförmiges PWM-Signal zu erzeugen. Ich möchte meine Sinus- und Dreieckswelle mit einem Operationsverstärker (LM741) vergleichen, der eine Anstiegszeit von 0,3 µs und eine Anstiegsgeschwindigkeit von 0,5 V / µs aufweist, was theoretisch bei 5 kHz gut ist. Aber ich bekomme keine gute PWM-Ausgabe.

Also habe ich zuerst versucht, die Sinuswelle mit einer Referenzspannung (2,2 Volt) zu vergleichen. Sinuswellenamplitude = 2,5 Volt (5 V Spitze zu Spitze) und Frequenz 100 Hz und 5 kHz

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  • Bei niedriger Frequenz (z. B. 100 Hz) ist der Ausgang gut
  • Bei hohen Frequenzen (z. B. 5 kHz) ist die Ausgabe zu schlecht.

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WWas wird das Problem sein ...

Wenn die Antwort das Problem des Komparators ist, die Anstiegsrate jedoch 0,5 V / µs beträgt.

Berechnung der Anstiegsgeschwindigkeit für ein sinusförmiges Signal ...

Anstiegsgeschwindigkeit = Vm * 2pi * Frequenz 

  = 5 V * 2pi * 5000 Hz

     = 1570796 Volt pro Sekunde oder 0,15 V / us

Theoretisch ist die Anstiegsgeschwindigkeit von 0,5 V / µs für ein sinusförmiges Signal von 5 kHz und 5 Volt von Spitze zu Spitze in Ordnung. In meinem Fall ist das Signal jedoch verzerrt.

Wo irre ich mich?

Es sieht so aus, als ob die Antwort des Ausgangs w.r.t.das Eingangssignal (~ 30µs?).Was kann dies verursachen?Was ist mit dem Ausgang verbunden?'Scope Probe nur?
[Warum Sie den 741 nicht verwenden sollten.] (Https://electronics.stackexchange.com/questions/304521/reasons-not-to-use-a-741-op-amp/304522)
Für 5 kHz dachte ich, 741 wird in Ordnung sein, für das, was ich berechnet habe. Andernfalls werde ich den Gegenverstärker mit hoher Anstiegsrate ändern und ihn aktualisieren ....... @JRE
Ja, ich habe die Oszilloskopsonde nur am Ausgang verwendet.Ich weiß nicht, was diesen Fehler verursacht ....... @Jimmy
Du machst Schluss.
Beachten Sie, dass es bei dieser Frage um die Theorie hinter den Berechnungen geht.Wenn Sie OP anweisen, seinen OP-Verstärker zu wechseln, wird die Frage nicht beantwortet.Es löst nur das Problem, ohne dass OP weiß warum.
Wenn Sie nicht einrasten, sind Sie zumindest gesättigt und die Wiederherstellung braucht Zeit.Ein 741 ist ein schlechter Komparator, und ein OP-AMP über eine von Schiene zu Schiene angetriebene Schiene kann nicht mit kleinen Signaldesignspezifikationen arbeiten.Sie sind auch am unteren Ende für 741 Supply Headroom.
Die Anstiegsgeschwindigkeit einer Rechteckwelle ist unendlich.Ein Operationsverstärker mit begrenzter Anstiegsgeschwindigkeit gibt also keine Rechteckwelle aus.Es wird eine "Trapez" -Welle auslösen, was Sie sehen.Die Frage, die Sie stellen sollten, lautet: Entspricht die Anstiegsgeschwindigkeit Ihres Trapezes der Spezifikation?Sieht aus wie nicht.Es ist bei weitem zu langsam.Aber ich wollte nur darauf hinweisen, dass Ihre Frequenzberechnung wirklich nicht anwendbar ist, wenn die erwartete Ausgabe eine Rechteckwelle ist.
Fünf antworten:
Michael Karas
2019-04-05 16:03:15 UTC
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Die Empfehlungen für Sie sind sehr einfach.

  1. Verwenden Sie für diese Anwendung einen Komparator anstelle eines Opamps.

  2. Wählen Sie ein neueres Teil aus, das mit um Größenordnungen kürzeren Reaktionszeiten arbeitet.

    3. ol>

    Es wäre das Beste, wenn die 741 vom Erdboden ausgerottet werden könnte.

    Folgendes kann mit dem ehrwürdigen LM393 bei 5 kHz erreicht werden.Die gezeigte Schaltung arbeitet sogar bis zu etwa 50 kHz, bevor die Verzögerung des LM393 beginnt, den PWM-Arbeitszyklus zu verzerren.

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Sicher Freund, ich werde den Gegenverstärker wechseln oder mit Hilfe eines Komparators die Daten bald aktualisieren.
@Nihal - Wenn Sie in der Frage einige neue Ergebnisse anzeigen, löschen Sie Ihr Originalmaterial nicht, sondern fügen Sie es am Ende als Update hinzu.Der Grund dafür ist, dass diese Frage hoffentlich ein Hinweis auf zukünftige Leser sein kann, die nach Informationen suchen, die hier diskutiert werden.Wenn Sie das Originalmaterial löschen, sind die Antworten hier für einen zukünftigen Leser nicht mehr sinnvoll.
"Es wäre das Beste, wenn die 741 vom Erdboden ausgerottet werden könnte."ok - ich werde beißen.Was sind deine Gründe?
@UKMonkey Der 741 wurde erstmals 1968 veröffentlicht. Und obwohl er zu dieser Zeit ein fantastischer IC war, gibt es weit überlegene Operationsverstärker mit niedrigerer Eingangsoffsetspannung, höherer Bandbreite, höherer Eingangsimpedanz usw. Die meisten Leute neigen zum "idealen Operationsverstärker"-amp "zuerst und dann sofort zu einem der nicht idealsten Operationsverstärker in der Praxis springen und sich fragen, warum ihr Design nicht funktioniert.
LM741 könnte noch in den Lehrbüchern sein ...
Ich denke, es muss eine gewisse Hysterese in einer praktischen Schaltung geben (obwohl selbst dann, abhängig vom Typ des Operationsverstärkers, [Phaseninversion] (https://electronics.stackexchange.com/questions/161943/can-i-use)-lm324-as-a-schmitt-trigger / 161950 # comment331918_161950) ist eine sehr reale Sache).Wenn die beiden Eingänge nominell gleich sind, wird jegliches Rauschen durch die Verstärkung im offenen Regelkreis verstärkt, was möglicherweise zu Schwankungen von Schiene zu Schiene führt.Und / oder Schwingungen aufgrund von Rückkopplungen vom Ausgang.
Führen Sie möglicherweise 100 µV zufälliges Rauschen in die Simulation einer der Signalquellen ein.
Welche Simulationssoftware Sie verwendet haben, ist, dass die Simulation mehr Varianten gegen Verstärker enthält, wie Transistoren ..... @michael
@PeterMortensen - Ja, jedes praktische Design möchte ein Feedback zum Komparator enthalten, um die Hysterese einzuführen.
@Nihal - Ich benutze das kostenlose LTSpice-Simulator-Tool.Es kommt mit vielen Modellen für Teile von Linear Tech und Analog Devices.Es hat einige generische Transistoren und Dioden und FETs.Um so etwas wie einen LM393-Komparator zu verwenden, musste ich ein Gewürzmodell für das Teil von TI herunterladen und es dann an LTSpice anschließen.(Beachten Sie die Zeile .include im Schaltplan).
@CurtisHx Sie werden auch feststellen, dass ein 741 DIP als Lachsköder sehr schlecht ist.
@MichaelKaras- Vielen Dank, Freunde, ich werde diese verwenden, um mehr analoge Schaltungen zu machen.
Vielen Dank, Freunde, es funktioniert gut, wenn Sie den Komparator LM339 verwenden.
user287001
2019-04-05 16:09:59 UTC
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Opamps arbeiten langsam mit niedrigen Versorgungsspannungen.Darüber hinaus sind sie für den linearen Bereich ausgelegt.So gesättigt wie in Ihrer Anwendung hat die Antwort eine unvorhersehbare Totzeit.bevor die innere Sättigung verschwindet.

Ich kann nur wiederholen, was bereits gesagt wurde: Holen Sie sich einen Komparator.741 war vor einem halben Jahrhundert ein bemerkenswerter Schritt nach vorne, aber seitdem haben sich die Dinge besser entwickelt.

Vielen Dank für Ihre Antwort Freund, ich werde es nach dem Wechsel des Operationsverstärkers aktualisieren.
@Nihal-Komparatoren haben andere Vorsichtsmaßnahmen.Sie sind Hochgeschwindigkeitsschaltungen wie logische Teile.Sie müssen akzeptabel kurze Drähte und Koppelkondensatoren zwischen den Versorgungsspannungseingängen haben.Es ist nutzlos, die Schaltung mit 0,5 Meter langen Drähten ohne Kupplungskappen auf ein Steckbrett zu bringen (ich habe diese Versuche gesehen).
Ok Freund, ich werde sogar einen Komparator kaufen und mich darum kümmern.
Scott Seidman
2019-04-05 17:33:47 UTC
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Operationsverstärker sind anfällig für Latch-up.Die Wiederherstellung der Sättigung an den Schienen ist keine automatische Sache.Die Bewertungen, die Sie für den Operationsverstärker lesen, arbeiten in einem Rückkopplungsmodus, nicht in einem Open-Loop-Modus.Sie müssten einen Operationsverstärker finden, der das Latch-up minimiert, oder noch besser, wenn Sie einen Komparator benötigen, kaufen Sie einen Komparator.

Ja und / oder [Phaseninversion] (https://electronics.stackexchange.com/questions/161943/can-i-use-lm324-as-a-schmitt-trigger/161950#comment331918_161950), abhängig von der OptionAmp-Typ.
analogsystemsrf
2019-04-05 20:59:06 UTC
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[geändert, um auf + 9 / -6 Volt-Schienen zu laufen] Sie können dies versuchen, wenn Sie eine diskrete Lösung wünschen.Die Verzögerung ohne Eingangsschutzwiderstand sollte etwa 20 Nanosekunden betragen

schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Die Geschwindigkeit wird durch Rin (10 kOhm) und ein minimales Miller-Effekt-Cin (20 pF?) begrenzt, sodass die Ausbreitungsverzögerung etwa 0,2 us (200 Nanosekunden) beträgt.

Was ist es?Ein [Schmitt-Trigger] (https://en.wikipedia.org/wiki/Schmitt_trigger)?
Das Differentialpaar ist bei VDD / 2 vorgespannt.R8 liefert 1% positive Rückkopplung, um das Risiko einer Schwingung während des linearen Bereichs zu verringern.Beachten Sie, dass ich einen Überspannungsschutz eingebaut habe.
Autistic
2019-04-05 16:04:33 UTC
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Die meisten Operationsverstärker der Gartensorte haben eine interne Kompensation in Form eines Chipkondensators.

Dies macht sie sehr langsam, aber in analogen Schaltkreisen stabiler.

Warum nicht einen billigen Komparator wie LM393 verwenden?

Vielen Dank Freund, es funktioniert gut mit dem Komparator LM339.


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