Aufbau eines Bandpassfilters mit einem Operationsverstärker

Ich bin ziemlich neu in Operationsverstärkern, habe sie mir aber im College angesehen und meine eigenen Nachforschungen angestellt. Ich versuche, einen Operationsverstärker zu verwenden, um einen einfachen Bandpassfilter zu bauen, der eine Inband-Spannungsverstärkung von 5 hat. Das Hauptziel ist, dass ein Signal, das von einem Ultraschallwandler empfangen wird, in diesen Filter eintritt. Das Signal ist eine Sinuswelle in der Größenordnung von einigen hundert Millivolt bei einer Frequenz von etwa 1,1 MHz. Ich möchte, dass der Bandpassfilter das durchgelassene Rauschen begrenzt. Ich möchte auch, dass die In-Band-Verstärkung bei etwa 5 liegt.

Lassen Sie mich durchgehen, was ich bereits versucht habe. Ich habe mir den TDC1000 von Texas Instrument angesehen, der ein „Ultraschallsensor-Analog-Frontend“ ist.

Ich habe mir insbesondere den Low Noise Amplifier im Empfängerpfad angesehen. Ich versuche, die Schaltung in Abbildung 16 auf Seite 14 zu replizieren:

LNA-Schaltung in TDC1000

Laut Datenblatt wird die In-Band-Verstärkung durch das Kondensatorverhältnis eingestellt:

Gain_in-band = CIN/CF = 300pF/30pF = 10

Die Hochpassecke wird durch den Rückkopplungswiderstand und den Kondensator festgelegt:

FCH = 1/(2πRFCF) = 1/2π(9000)(30x10^-12) = 589,5kHz

Die Tiefpassecke wird durch das Verstärkungsbandbreitenprodukt und die Verstärkung festgelegt:

FCL = GBP/Gewinn = 50 MHz/10 = 5 MHz

Dies schien alles sinnvoll zu sein, andere Websites zeigten jedoch andere Schaltungskonfigurationen für Bandpassfilter. Einige Schaltungen enthielten vor CIN einen weiteren Widerstand, und das "Gain-Bandwidth-Produkt" wurde nicht erwähnt.

Ich beschloss, meine eigene Version der rauscharmen Verstärkerschaltung zu bauen, die im TDC1000 vorgestellt wurde. Die Auswahl eines Operationsverstärkers war schwierig genug, aber nach einiger Recherche schien der LT1128 eine gute Wahl zu sein. Das Datenblatt für diesen Operationsverstärker kann unten aufgerufen werden:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/1028fd.pdf

Es ist ein rauscharmer Präzisions-Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker mit einem Gain-Bandwidth-Produkt von 20 MHz. Auf einem Steckbrett habe ich folgende Schaltung aufgebaut:

Meine LNA-Schaltung auf Steckbrett gebaut

Nach den vorherigen Gleichungen:

Gain_in-band = CIN/CF = 100pF/20pF = 5

Hochpassecke:

FCH = 1/(2πRFCF) = 1/2π(10000)(20x10^-12) = 795,8kHz

Tiefpass-Ecke:

FCL = GBP/Gewinn = 20 MHz/5 = 4 MHz

Um die Schaltung zu testen, habe ich eine 500-mV-Spitze-zu-Spitze-Sinuswelle von meinem Signalgenerator angelegt und die Frequenz variiert. Die Schaltung funktionierte nicht so, wie ich es erwartet hatte. Unten sind ein paar Screenshots von meinem Oszilloskop. Der gelbe Kanal ist das Eingangssignal und der blaue Kanal ist der Ausgang des LT1128.

800 kHz:

800-kHz-Eingang

1 MHz:

1 MHz Eingang

Ich bin mir nicht sicher, was los ist, das Ändern der Amplitude des Eingangssignals hat die Amplitude des Ausgangs nicht geändert. Das Variieren der Frequenz des Eingangssignals hatte jedoch einen Einfluss auf die Phase und Amplitude des Ausgangssignals. Was ich erwartet hatte, war, dass innerhalb der Frequenzen von 795,8 kHz bis 4 MHz das Ausgangssignal invertiert und fünfmal größer als das Eingangssignal sein würde.

Ich beschloss, einen Schritt zurück zu gehen und einfach einen invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 4,7 zu ​​bauen. Unten ist ein Schema der einfachen Schaltung, die ich auf einem Steckbrett gebaut habe:

Invertierende Verstärkerschaltung

Ich habe eine 1-V-Spitze-zu-Spitze-Sinuswelle angelegt und die Frequenz variiert. Bei 300 kHz ist das Ausgangssignal wie erwartet, es ist invertiert und hat eine Spitze-zu-Spitze-Spannung von 4,7 V. Unten ist ein Screenshot von meinem Oszilloskop, der gelbe Kanal ist das Eingangssignal und der blaue Kanal ist der Ausgang:

Umkehrverstärker - Eingang 300 kHz

Wenn ich die Frequenz erhöhe, ändern sich Phase und Amplitude des Ausgangssignals und die Amplitude des Eingangssignals wirkt sich nicht mehr auf den Ausgang aus.

700 kHz:

Umkehrverstärker - Eingang 700 kHz

Ich bin verwirrt darüber, warum dies passiert. Ich dachte, dass der Operationsverstärker das Eingangssignal bei viel höheren Frequenzen weiter verstärken sollte.

Ich habe viel über die Bandbreiten von Operationsverstärkern recherchiert, aber es scheint, dass mir etwas fehlt.

Fragen:

  1. Ist der Operationsverstärker selbst, den ich ausgewählt habe, nicht der richtige für diese Anwendung, ist er einer der Parameter des LT1128, den ich möglicherweise übersehen habe?
  2. Kann jemand in Bezug auf die Bandpassfilterschaltung Fehler im Schaltplan erkennen oder erklären, was passiert?
  3. Warum beginnt sich das Ausgangssignal in der invertierenden Verstärkerkonfiguration über einem Eingangssignal von 300 kHz zu ändern?

Wenn es die Tatsache ist, dass ich mehr lesen muss, hat jemand irgendwelche Empfehlungen?

Welche Filter BW min wird benötigt?
Was ist die Quellenimpedanz?

Antworten (2)

Damit ein Operationsverstärker bei 1 MHz einen geringen Verstärkungsfehler aufweist, benötigen Sie etwa eine Open-Loop-Verstärkung von> 100 x die Closed-Loop-Verstärkung oder 500 MHz = GBW.

Ein Videoverstärker wäre mit diskreten Komponenten besser geeignet.

Wenn Sie Ihre Quellenimpedanz nicht kennen, wird angenommen, dass sie 50 Ohm beträgt. Puffer mit Emitterfolger, wenn höher oder niedriger, R entsprechend anpassen, da Rb(eq)/Rin die Regelkreisverstärkung von 5 steuert.

Proof of Concept für einen PN2222A

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Grund, warum Operationsverstärker im Allgemeinen nicht gut für die Verstärkung in Bandpassfiltern im 1-MHz-Band geeignet sind, liegt darin, dass das GBW-Produkt, das zur Überwindung des Verstärkungsfehlers benötigt wird, ebenfalls mit Q ^ 2 multipliziert wird.

Theorie der Arbeitsweise.

Dies ist mein klassischer 50-Ohm-Common-Emitter-Verstärker mit negativer Rückkopplung. Gewinne werden abgewägt, um die Linearität zu verbessern und die Bandbreite zu erhöhen. Basis-Pulldown passt Kollektor-Q-Punkt für niedrige Verstärkung an. In anderen Situationen, wenn Vc zu hoch ist (niedriger Ic), wird eine größere Pull-up-R-Basis auf Vcc verwendet, um Ic zu erhöhen und somit Rbe zu reduzieren und die Verstärkung zu erhöhen.

Es gibt bessere Transistoren, aber der alte PN2222A hat einen minimalen GBW-Strom von 300 MHz , der jeden „alten“ Operationsverstärker schlägt! Dadurch funktioniert es hier.

Die Wechselstromkopplung des Eingangssignals ist erforderlich, sodass die 100 nF nur dazu dienen, den Gleichstrom vom Eingang zur Basisvorspannung mit ~ 1 Ohm bei 1 MHz zu isolieren. Sie können dies vergrößern, was sich auf die Bias-Einschwingzeit nach T = (50 + 50) C = 10 us Anstiegszeit auswirkt.

Rcb/Rs=500/50 Ohm setzt die Regelkreisverstärkung auf maximal 10, die durch andere Grundlasten weiter reduziert wird.

Die Eingangsimpedanz wird durch den 400R weiter gegen Masse belastet, wodurch die Kollektorgleichspannung auf den Mittelpunkt gezogen und die Verstärkung gedämpft wird. Re=2 spielt eine wichtige Rolle, um die Leerlaufverstärkung Rc/(Re+Rbe*)= 15 bis 25 einzustellen und gleichzeitig die Eingangsimpedanz hFE*Re~200 Ohm für hFE=100 anzuheben, was den Eingang noch weiter dämpft wie die 400 Ohm.

Rbe* = 25/Ic (mA) [Ohm] wird durch den Kollektorstrom gesteuert, was ihn in den 1-Ohm-Bereich bringt, wodurch die Open-Loop-Verstärkung reduziert wird, sodass Re für den Kompromiss zwischen Linearität und Verstärkungsreduzierung ungefähr gleich oder etwas höher gewählt wurde.

Insgesamt ist dies weitaus besser als eine H-Vorspannung mit offener Schleife aufgrund der überschüssigen Verstärkung, die für die Fehlerkorrektur oder negative Rückkopplung verwendet wird. Wenn auch nur eine kleine Menge, aber ausreichend.

Wenn Sie mehr Linearität benötigen, kann mehr Leistung verwendet werden, um dies mit 5 V zu erreichen und Rbe von höherem Ic zu reduzieren und somit die Open-Loop-Verstärkung für zusätzliches Feedback von dieser überschüssigen Open-Loop-Verstärkung zu erhöhen.

Rc = 50 stellt die Leerlaufimpedanz ein und auch die Leerlaufverstärkung von Re wird durch die Basis-Emitter-Last von hFE*Re reduziert.

Das Nettoergebnis ist, dass die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis das 5-fache bei einer Verstärkung im offenen Regelkreis von 20 bis 50 beträgt, sodass die überschüssige Verstärkung sowohl die Basis- als auch die Kollektorimpedanz durch negative Rückkopplung senkt. Dies ähnelt dem Operationsverstärkereffekt mit NFB, außer dass die rückgekoppelte überschüssige Verstärkung viel geringer ist und es keinen Integrator wie im OA gibt, um die Open-Loop-Verstärkung zu begrenzen, sodass er eine viel größere BW als Ihr OA hat. (Je nach GBW des Transistors)

Hallo, vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben zu antworten. Die Quellenimpedanz beträgt tatsächlich 50 Ohm. Ich benötige keine sehr spezifische Bandbreite, ich dachte an eine Bandbreite zwischen 600 kHz und 1,5 MHz. Das Ziel ist es, das vom Piezowandler empfangene Rauschen zu dämpfen und auch das 1,1-MHz-Signal zu verstärken, an dem ich interessiert bin, ohne viel Rauschen einzuführen, deshalb habe ich mich für einen rauscharmen Verstärker entschieden. Ich ging davon aus, dass meine Anforderungen durch die Verwendung eines Operationsverstärkers erfüllt werden könnten, wie dies im oben erwähnten TDC1000-IC der Fall ist, dessen LNA nur ein GBP von 50 MHz hat.
Würden Sie mir also empfehlen, stattdessen eine Schaltung mit einem Transistor zu bauen, der dem ähnelt, den Sie oben gepostet haben?
Ja, bei einer 50-Ohm-Quelle ist die Serie R nicht erforderlich. 3,3 V begrenzt die Verlustleistung und die Vc sollte vom Rückkopplungsverhältnis zentriert werden. Verwenden Sie eine gute Filterung für Vcc und machen Sie es mit einem guten gnd klein. Verwenden Sie keine übermäßige Belastung des Kabels C am Ausgang. Mein Sim. zeigt 3 verschiedene Signaleingänge, die Sie auf Sw klicken, um die Position zu ändern.
Gain & Vcc können mit kleinen Änderungen am Bias-Pulldown und Erhöhung auf Rcb auf 5 V erhöht werden.
Bei 5 V, Gesamt-Pd = 1/4 W. Andere können sich zu Wort melden, um diese Lösung zu bestätigen 8>)
Hallo, danke für die ganzen Informationen. Ich bin etwas verwirrt darüber, wie genau diese Schaltung funktioniert. Können Sie klären, welche Auswirkungen die Werte der Widerstände am Kollektor und Emitter auf die Schaltung und auch den 100-nF-Kondensator haben? Ich versuche nur zu verstehen, wie ich diese Schaltung aufbauen werde und welche Auswirkungen alle Komponenten auf die Schaltung haben. Danke schön.
Mehr Details zur Betriebstheorie hinzugefügt. Hilft das?
Indem ich ungefähr die gleiche Rcb / Rbg-Basisvorspannung beibehalte und diese Werte relativ zu einer 50-Ohm-Quelle anhebe, kann ich eine Verstärkung von 60 erhalten, indem ich ein höheres hFE = 200, ein kleineres Re = 0 verwende, und Vdd auf 14 erhöhe und 1,4 W in den Kollektorwiderstand . Offensichtliche thermische Probleme mit größeren benötigten Teilen. Aber hohe Verstärkung mit dem richtigen Transistor. tinyurl.com/yhowwquy

Die maximale Ausgangsamplitude eines Operationsverstärkers nimmt oberhalb einer bestimmten Frequenz mit der Frequenz ab. Aus dem LT1128-Datenblatt haben wir diese Grafik

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Diese Grafik sagt uns, dass, obwohl ein bestimmter Operationsverstärker eine Einheitsverstärkungsbandbreite von beispielsweise 10 MHz haben kann, dies nur für sehr schwache Signale gilt.

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