¿Por qué este amplificador operacional LM324 no puede reproducir una señal por encima de cierta frecuencia?

Parece que se está encontrando con limitaciones de velocidad de respuesta, y su salida presenta lo que se llama ' distorsión inducida por velocidad ': la oscilación de salida del amplificador operacional está limitada por la velocidad de respuesta, por lo que a medida que la frecuencia aumenta el límite para la oscilación de salida máxima sin Disminución de la ' distorsión inducida por giro '; por lo general, la hoja de datos de amplificadores operacionales tiene un gráfico de ' oscilación de salida frente a frecuencia '.

Eche un vistazo a la Figura 6 de la hoja de datos del LM324 y en qué parte del gráfico se encuentra su señal según las capturas de alcance que compartió (ver a continuación). Idealmente, querrá permanecer "bajo la curva".

Si desea obtener más información sobre Slew Rate, eche un vistazo a la serie 'Slew Rate' en los laboratorios de precisión para el entrenamiento de amplificadores operacionales .

El LM324 es un OPA viejo y lento. Tiene una "velocidad de respuesta" limitada, no superior a 0,5 V/us, lo que no permite seguir cambios de señal de gran amplitud a una velocidad superior a 1 MHz, como descubrió en su propio experimento.

No hay nada que pueda hacer para mejorar la velocidad de respuesta. Necesita adquirir un amplificador operacional más rápido.

Pruebe esta hoja de datos en su lugar.
Consulte la Tabla 6.8 - Condiciones de funcionamiento en la página 7.
El primer parámetro de la tabla es la "velocidad de respuesta con ganancia unitaria".
Esto le dice qué tan rápido puede moverse la salida del opamp, y para este LM324 es 0.5V/μs, y eso casi sin carga (1MΩ || 30pF).

Según las mediciones de su alcance, parece que está viendo alrededor de 0.2 a 0.25 V / μs, lo que no es del todo irrazonable con una carga.

La regla general es que el ancho de banda de potencia total de un amplificador operacional (límite superior) es aproximadamente el 10% o menos de la frecuencia de ganancia unitaria. Piénsalo.

La ganancia unitaria significa que ha alcanzado una frecuencia en la que la ganancia es igual a uno en el mejor de los casos, bajo cualquier condición de prueba que especifique el fabricante. Esta NO es una salida de fuerza completa tampoco. Simplemente significa Vout = Vin en algún valor mucho menor que la potencia máxima.

Un transistor con un hFE de 100 a 100 KHZ y oscilación de voltaje total puede generar 1 voltio pp a 1 MHz, con una entrada de 1 voltio pp. Eso es lo mejor que puede hacer.

El término "Ganancia unitaria" es un poco engañoso porque implica una ganancia utilizable, pero en realidad su ganancia ha llegado a su límite. Para una salida de potencia completa con la ganancia indicada, tome el 10 % de la ganancia unitaria como punto de partida.

Algunos fabricantes entran en detalles elaborados con gráficos de ganancia frente a frecuencia y carga, etc. Lea esos detalles si están en la hoja de datos y le ayudarán a aclarar dónde puede esperar una ganancia utilizable a plena potencia, o no.

Prueba este circuito de transistores

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Con una sonda de alcance estándar 10X en Vout (13pF más o menos), tendrá un ancho de banda de aproximadamente 3 nanosegundos (50,000,000 Hertz). Ajuste R9 para controlar la línea de base del voltaje de salida.

Puede aumentar R3 a 220 o 330 o 430 ohmios; en los valores de resistencia más altos, la capacitancia de la base del colector aumentará cuando Vout esté cerca de 1.0v y verá un asentamiento más lento. Por lo tanto, se produce un comportamiento no lineal de alta frecuencia (distorsión del segundo armónico) y obtendrá una intermodulación de suma/diferencia. Con solo 4 bits, dudo que esto sea un problema para ti. Pero puede escalar algunas resistencias más, a 6 u 8 bits, y alimentar con formas de onda de suma de pecado preestablecidas y luego examinar la FFT en un osciloscopio o analizador de espectro.

Mejora del rendimiento: si puede sesgar la parte inferior de las 2 resistencias: R1 y R9, a -0,2 voltios, entonces su linealidad mejorará, probablemente detectable para #bits grandes. Tenga en cuenta que la carga en las líneas de entrada lógica no es consistente y esto también produce no linealidades.

El uso de dirección de corriente diferencial, tal vez con fuentes de corriente bipolares e interruptores de diodo utilizados para dirigir, reduce la no linealidad. En algún momento, construyó un costoso DAC08 de Precision Monolithics Corp, pero con un ancho de banda de 20 MHz a 50 MHz. Examine esa hoja de datos.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/dac0800.pdf