Disparador Schmitt con amplificador operacional 741 que no se comporta como en simulación

Estoy implementando un disparador Schmitt usando el circuito que se muestra a continuación. Este circuito consta de un amplificador operacional LM741, que actúa como un disparador Schmitt asimétrico con una sola fuente de alimentación. De acuerdo con esta calculadora , elegir un suministro de 5 V y resistencias de 1 k-ohm para R1, R2 y RFB debería dar como resultado un umbral inferior de 1,66 V y un umbral superior de 3,33 V.

Primero simulé este disparador Schmitt en LTspice con un amplificador operacional ideal (amplificador operacional universal 2). A continuación se muestra un diagrama de circuito.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Esto dio como resultado el comportamiento ideal en el que la salida se satura en el riel positivo o negativo (tierra) cuando la entrada cae por debajo del umbral inferior o sube por encima del umbral superior, respectivamente:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Luego reemplacé el amplificador operacional ideal con un LM741 (lo que estoy usando en la práctica) y volví a ejecutar la simulación. Obtuve el modelo LTspice para el 741 del sitio web de TI . El diagrama del circuito se muestra a continuación:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Al ejecutar la simulación, encuentro que el amplificador operacional no puede saturarse completamente hasta el riel positivo o hacia abajo hasta el riel negativo:

ingrese la descripción de la imagen aquí

A continuación, construí el dispositivo en una placa de prueba y medí el voltaje de salida cuando la entrada estaba conectada a tierra (0 V) o conectada al suministro de +5 V. A continuación se muestra una figura que muestra mi circuito. El cable verde de la izquierda está conectado a tierra, el cable verde de la derecha está conectado a +5 V, el cable rojo es la entrada y el cable azul es la salida.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Cuando mido el voltaje de salida con un osciloscopio, encuentro que cuando la entrada está conectada a tierra, la salida es de +4,5 V y cuando la entrada está conectada a +5 V, la salida es de 2 V.

Preguntas:

  1. ¿De dónde viene la no idealidad en el amplificador operacional 741? ¿Qué causa que tanto la segunda simulación como el circuito real se desvíen del amplificador operacional ideal en la primera simulación?
  2. ¿Es posible hacer que el 741 se comporte más como un amplificador operacional ideal? ¿O hay otros amplificadores operacionales que podría considerar usar que tienen especificaciones similares para la corriente de salida que se comportan más como el amplificador operacional ideal (los números de pieza serían geniales)?
  3. ¿Por qué el resultado simulado del 741 no coincide con el resultado experimental?

Editar : al ver el comentario de @ Felthry, simulé el mismo circuito pero con un LM358 en lugar de LM741 usando el modelo que se encuentra aquí . Mi circuito y el resultado se muestran a continuación:

ingrese la descripción de la imagen aquí

ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Porque hay una diferencia entre "ideal" y "real"? ¿Cuál es la tolerancia en las resistencias? etc.
741 no funcionará con un suministro de 5v. Necesita un mínimo absoluto de 10v, 15v sería mejor. Use un amplificador de riel 2 de bajo voltaje si desea trabajar a 5v.
Para responder a su segunda pregunta, la mejor solución es obtener un amplificador operacional moderno en lugar de usar un diseño de los años sesenta. Pruebe el LM358. Las preguntas 1 y 3 requieren más explicaciones de las que tengo ahora, lo siento.
Después de estudiar la oscilación de salida del amplificador operacional BJT debido a los sumideros de corriente y las caídas del seguidor del emisor, use la salida media para sesgar el divisor R en lugar de V +/2, luego considere que el Vpp se reduce y la retroalimentación debe aumentar en consecuencia. Mientras que un CMOS OA es de riel a riel. Al igual que 74HC14
Una búsqueda aquí en EE stack para 741 responderá a su pregunta.
Eso ^^ y más precisamente por qué no debe usar un opamp 741 y especialmente esperar que funcione con 5 V. El 741 está diseñado (y usado) en los días en que tener +/- 12 V o +/- 15 V era la norma. Use un MCP601 o similar que esté diseñado para funcionar con 5 V. Añoro los días en que los principiantes dejan de usar el 741.
Espero que el 741 se quede. Tiene casi todas las verrugas posibles que podría tener un opamp. Absolutamente nada es ideal en el 741. ¿Qué mejor que aprender? Si puede hacer que un 741 salte a través de los aros y haga el trabajo, entonces definitivamente podrá manejar cualquier cosa que un opamp moderno pueda arrojarle.
@Neil_UK, fue una gran captura. Ahora mismo estoy fuera de mi escritorio, pero mañana a primera hora veré cómo se comportan las alimentaciones de 10 y 15 V.
@Felthry, gracias por tu comentario. Edité mi pregunta para incluir detalles de simulación con el LM358. Mientras que el riel inferior alcanza 0 V, el riel superior se satura a 3,5 V. Además, los puntos de activación de 1,69 V y 2,81 V no coinciden con los calculados analíticamente (1,66 V y 3,33 V). ¿Hay alguna forma de remediar esto?
@Vivek: ¿Recalculó los puntos de conmutación en función de la salida máxima de 3,5 V?
@Transistor, gracias por tu comentario. Disculpe mi ignorancia, pero ¿dónde ve que la salida máxima es de 3,5 V?
@VivekSubramanian ¿Está interesado en un circuito externo que pueda agregar a un 741 para que la salida viaje completamente entre los rieles?
@jonk, sí, eso sería genial. De hecho, tengo un circuito mucho más grande que simulé todo con componentes ideales. La simulación funciona como se desea, pero el circuito real que obtuve de la simulación no funciona según lo previsto. Me imagino que me encontraré con otros problemas mientras depuro mi dispositivo, pero hacer que la salida del disparador Schmitt llegue a los rieles de alguna manera sería un excelente punto de partida.
@vivek: informó una salida máxima de 3.5 V en el comentario anterior al mío. También es visible en su último gráfico.
@Transistor, solo estaba interpretando el gráfico, pero esperaba que la salida se saturara a +5 V y a tierra para los casos bajo y alto, respectivamente. No me queda claro por qué se satura a +3.5 Vand ground.
@VivekSubramanian Agregaré uno, entonces.

Respuestas (1)

El National (ahora TI) LM741 realmente no está bien caracterizado para salir de un solo 5 V carril de suministro. La hoja de datos del LM741 sugiere que con su carga, tiene la garantía de estar dentro de unos 3 V de cada riel. Lo típico es mejor; dentro de aproximadamente 1 V de cada riel. Pero esa no es la garantía sobre su rango de operación. Por lo tanto, se puede argumentar que no se puede garantizar que el LM741 funcione en un 5 V carril.

Dicho esto, es probable que puedas hacer que funcione aquí.

Sin embargo, para hacerlo, debo considerar una manera de asegurarme de que una pequeña excursión de la salida del amplificador operacional LM741 sea suficiente para conducir algo hasta los rieles. Es posible que pueda obtener la salida cerca 1 V , pero prefiero ser conservador y figurar no mejor que 2 V por encima del suelo También puede obtener la salida cerca 4 V , pero prefiero ser conservador y figurar no mejor que 3 V por encima del suelo Manténgalo lo más conservador posible y trabaje desde allí.

Esta etapa de salida discreta se puede agregar a su opamp:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

(Dado que no tiene un voltaje de punto medio para usar, tuve que construir uno usando el R 6 y R 7 divisor de voltaje.)

Eso es todo. Creo que eso permitirá que un LM741 funcione bastante bien al conducir una salida del comparador cerca de los rieles. Y lo hará también con una carga bastante creíble (¡mayor cumplimiento de la corriente de salida!)

Por supuesto, existe la opción obvia de comprar un amplificador operacional mejor para este propósito (o comparador).

Aunque creo que el 741 debería desaparecer, me gusta tu comentario anterior. Personas descubriendo la realidad de las imperfecciones. Nada mal. Digno de voto positivo.
Disparador Schmitt con amplificador operacional 741 que no se comporta como en simulación
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v