¿Por qué cae el voltaje de saturación del amplificador operacional con el aumento de la frecuencia?

Observé que cuando elijo diferentes valores de resistencia y condensador para diferentes frecuencias, con el aumento de la frecuencia, la amplitud de la onda cuadrada disminuye.

Lo hará porque un valor más bajo de "R" carga más la salida del amplificador operacional y aumenta su voltaje de saturación. Recuerde que la resistencia de entrada del integrador alimenta una tierra virtual, por lo que actúa como una resistencia de carga a tierra en la salida del comparador.

y la amplitud de la onda triangular aumenta

A medida que aumenta la frecuencia operativa, el tiempo que tarda el comparador en cambiar se vuelve más dominante en el período de generación de la frecuencia de la señal. Este "tiempo extra" permite que la onda triangular (formada por el integrador) se eleve a valores pico ligeramente más altos.

Cuando se utiliza un amplificador operacional como comparador, los transistores de salida entran en saturación y pueden tardar varios microsegundos en recuperarse de la saturación.

No creo que las otras dos respuestas entiendan lo que está sucediendo en este circuito: el punto es que la amplitud del triángulo pp está dictada por la histéresis del comparador; teóricamente, con amplificadores operacionales perfectos, la amplitud pp de la onda triangular es constante.

Su amplificador de operación izquierdo con sus componentes RC es un filtro de paso bajo activo, ¡ese es su propósito, si lo piensa bien!

Entonces, lo que matemáticamente es es un "integrador". Y esa es toda la razón por la que la amplitud de los triángulos disminuye con un período de tiempo más corto (= frecuencia más alta). Cuando integra una constante (entrada alta) durante mucho tiempo, su integral tendrá un valor más alto que cuando integra la misma constante durante poco tiempo.

Además de eso, los amplificadores del mundo real también tienen anchos de banda finitos, y la ganancia del circuito semiconductor dentro de un opamp disminuye con la frecuencia, y en algún momento la idea de que un opamp tiene "ganancia muy, muy alta" simplemente se desmorona. Sin embargo, a sus lindos 45 kHz, probablemente esa no sea la situación aquí, a menos que esté usando algo extraordinariamente lento (y entonces, probablemente sabrá que ese opamp se habría etiquetado como "solo para aplicaciones de audio" o "clásico"). " más o menos).

Idealmente, la forma de onda triangular y la amplitud de onda cuadrada (como al usar un amplificador operacional/comparador ideal) no variarán con la frecuencia, sería constante para un voltaje de suministro dado.

Esto se debe a que la amplitud de ambos está determinada por el voltaje de saturación de salida del amplificador operacional derecho (usado como comparador), que (idealmente) depende solo del voltaje de suministro (una vez que llega allí).

En pocas palabras, el amplificador operacional de la izquierda es responsable de la frecuencia y el amplificador operacional de la derecha de la amplitud.

El problema con una medición agregada de una forma de onda compleja es que puede estar pasando por alto algo. En este caso, creo que te estás perdiendo el hecho de que la onda cuadrada no es realmente cuadrada (y como resultado, la onda triangular no es realmente triangular).

El amplificador operacional (utilizado como comparador con histéresis proporcional al voltaje de suministro determinado por la relación R1/R2) tiene una velocidad de respuesta finita y, por lo tanto, los bordes de la onda cuadrada son realmente rampas. Así, la onda cuadrada pasa menos tiempo en los límites. De manera similar, la onda triangular se crea al integrar la onda cuadrada, por lo que las pendientes de la onda triangular no serán líneas rectas, sino que se curvarán hacia arriba o hacia abajo en pendientes ascendentes o descendentes.

Un efecto secundario es que algunos amplificadores operacionales tardan mucho en recuperarse de la saturación, por lo que la salida del amplificador operacional del comparador se retrasará en una cantidad fija (más o menos) en cada borde. Sin embargo, eso tendería a hacer que la amplitud de la forma de onda del triángulo de salida aumente con la frecuencia y no afectaría a la onda cuadrada, por lo que no creo que ese sea un factor aquí.

Editar: Andy también tiene razón en que la carga de la salida del amplificador operacional/comparador puede ser un factor. El voltaje de salida límite del amplificador operacional cambiará con la carga.

Puede evitar este problema utilizando un comparador adecuado en lugar del amplificador operacional derecho con limitación de salida estricta utilizando un par de zeners, por ejemplo, para controlar la amplitud de la onda cuadrada. Hará la transición en nanosegundos (tal vez un par de cientos para un comparador realmente lento) y su variación con la frecuencia desaparecerá (en su mayoría) hasta que se encuentre con el límite de velocidad de giro del amplificador operacional izquierdo en las pendientes de onda triangular.

TL;DR

Es la limitación de la velocidad de respuesta del amplificador operacional del comparador y/o la carga que crea ondas cuadradas horribles de forma y amplitud no fijas.

Aquí están pasando varias cosas.

Primero, la amplitud de la onda triangular es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda cuadrada de la que se deriva. Esto se debe a que el generador de ondas triangulares es un integrador. La integral de un nivel fijo es una pendiente fija. Cuanto más tiempo se mantenga ese nivel, más continuará la pendiente y, por lo tanto, mayor será su amplitud de extremo a extremo.

El segundo efecto es menos predecible debido a cómo el segundo umbral opamp detecta la onda triangular. Si todos los componentes fueran ideales, el segundo amplificador operacional cambiaría inmediatamente en cada cruce por cero de la onda triangular. Eso detendría ese medio triángulo y lo invertiría. Eso provocaría inmediatamente el cruce por cero opuesto, lo que cambiaría la pendiente del triángulo nuevamente, lo que provocaría otro cruce por cero, etc. El resultado sería una frecuencia infinita con componentes ideales.

Por lo tanto, la frecuencia que realmente obtiene depende de la naturaleza no ideal de los componentes, que no se especificará. El retraso de propagación, el tiempo de subida, la capacitancia parásita y, en particular, la velocidad de respuesta del segundo opamap son importantes. Básicamente, este es un mal circuito si está buscando una frecuencia predecible.

La forma de solucionar esto es agregar algo de histéresis al segundo opamp. Entonces, incluso con partes ideales, la onda cuadrada cambiará en los umbrales conocidos de la forma triangular. Entonces, la frecuencia es determinista, siempre y cuando no exceda los límites de lo que pueden hacer las partes.