Operationsverstärker-Spannungsfolger mit Einzelversorgung - negatives Clipping mit AC-gekoppelter Last

Ich verwende einen µC, auf dem DDS-Algorithmus ausgeführt wird, um bestimmte Wellenformen zu synthetisieren (tatsächlich habe ich einen 3-Kanal-Musikgenerator mit Portamento- und Amplitudenmodulationseffekten, Befehlen zum Ändern von Wellenformen usw. erstellt, aber das ist für die Frage nicht relevant). Der Ausgang von µC ist ein 15686,27 Hz (8e6/510) PWM-Signal mit variablem Arbeitszyklus. Ich aktualisiere das Tastverhältnis aus einer Nachschlagetabelle, um die gewünschte Wellenform bei der gewünschten Frequenz zu erzeugen, und dann geht das Signal zum Tiefpass-RC-Filter.

Der Ausgang des RC-Filters hat einen DC-Offset von +2,5 V und eine Amplitude von 2,5 V (absolute Spitzenwerte sind 0 und +5 V). Ich habe dieses Signal an einen 50k-Trimmer angeschlossen, der als Spannungsteiler fungiert, um das Signal auf +1,5 V Offset und 1,5 V Amplitude zu reduzieren, damit ich LM324 in Spannungsfolgerkonfiguration verwenden kann, um die Last anzusteuern. Ich habe die Spannung reduziert, weil LM324 mit 5-V-Einzelversorgung nicht über 3,7 V gehen kann. Dies ist das Signal, das an LM324 geht:

Eingangssignal

Die Einstellungen sind: DC-Kopplung, 1 V/DIV, 2 ms/DIV. Die Sinuswellenfrequenz beträgt 329,6 Hz (Ton E4).

Die Wellenform am Ausgang des Spannungsfolgers (LM324-Ausgang kurzgeschlossen mit dem invertierenden Eingang) sieht natürlich genau gleich aus (mit oder ohne ohmsche Last).

Das Problem tritt beim Einfügen des AC-Kopplungskondensators auf, um den DC-Offset zu entfernen. Dies ist die Wellenform am Ausgang des Operationsverstärkers mit 100-Ohm-Last, AC-gekoppelt mit 470-µF-Kondensator:

Wellenform nach Einsetzen des AC-Koppelkondensators

Und hier ist die Wellenform nach dem Kondensator:

Ausgang nach dem Kondensator

Die DC-Vorspannung wird nun entfernt.

Jetzt ist mir bewusst, warum dieses Clipping bei einem Einzeltransistor-Emitterfolger (gemeinsame Kollektorkonfiguration) auftreten würde. Hier ist die detaillierte Erklärung, warum Clipping auftritt, wenn AC mit einem Spannungsfolger mit einem Transistor verwendet wird. Die Erklärung ist leider zu lang, um den Text in die Frage einzufügen, aber dies ist eine bekannte Tatsache - das Problem besteht darin, dass der Transistor während der negativen Hälfte der Wellenform keinen Strom aufnehmen kann.

Da LM324 jedoch mit einer 5-V-Einzelversorgung 0 V erreichen kann , dachte ich, es würde kein Clipping geben, aber es gibt es.

Durch Erhöhen des Lastwiderstands verringert sich das Clipping, hier ist die Wellenform mit 10k-Last:

Wellenform mit 10k Last

Und noch besseres Ergebnis mit 15k Last:

Wellenform mit 15k Last

Ich brauche jedoch ein unverzerrtes Signal mit 100 - 200 Ohm Last (4 Ohm Lautsprecher + Widerstand) und die Frage ist, ob es eine Möglichkeit gibt, das Clipping zu beseitigen, ohne einen Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz zu verwenden .

Ich könnte einen anderen Operationsverstärker hinter den Kondensator stellen, um ein Übersteuern zu verhindern (weil die Eingangsimpedanz sehr groß wäre), aber dann müsste ich wegen der bereits entfernten DC-Vorspannung eine doppelte Versorgung verwenden. Gibt es eine einfache Möglichkeit, das negative Clipping in einer solchen Konfiguration zu vermeiden?

EDIT:
Der Schaltplan:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

UPDATE:
Ausgabe von TL084 anstelle von LM324:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Poste deinen Schaltplan.
Hier sind Sie das Schema.
Hast du es mal mit einem TL084 versucht?
Sieht so aus, als ob der LM324 für Ihre Aufgabe nur schlecht geeignet ist.
Leider habe ich im Moment nur wenige LM324-Operationsverstärker im DIP-Gehäuse und mehr als 20 LM321 im SMD-Gehäuse. Ich werde einen anderen Operationsverstärker ausprobieren, sobald ich einen habe.
Wenn Sie einen Blick auf das LM324-Datenblatt werfen, werden Sie feststellen, dass der Ausgangs-Senkenstrom viel niedriger ist als der Ausgangs-Quellenstrom. Deshalb klemmt es auf der negativen Seite. Außerdem ist Ihre 100R-Last viel zu niedrig, als dass dieser Operationsverstärker funktionieren könnte.
Ja, mir ist bekannt, dass die Ausgangssenkung von LM324 viel geringer ist als die Beschaffung. Ich habe das in der Frage nicht gesagt, aber ich habe versucht, eine andere Stufe mit zwei parallelen LM324-Stufen zu verwenden, um den Gesamtstrom (sowohl Quelle als auch Senke) zu erhöhen, und ich habe die Last gesenkt (den Widerstand erhöht), um den Senkenstrom innerhalb der Senkenfähigkeiten des LM324 zu platzieren aber das hat die Beschneidung nicht entfernt.
@skvery: Ich habe gerade die Frage mit dem Bild aktualisiert, das die Ausgabe von entladenem TL084 anstelle von LM324 zeigt. Alles, was unterhalb der DC-Vorspannung liegt, wird auf Vcc begrenzt. Scheint, dass TL084 keinen Strom aufnehmen kann. Ich warte jetzt auf die Ankunft des Operationsverstärkers TS922 - laut Datenblatt glaube ich, dass sie funktionieren könnten.

Antworten (2)

Sie werden nie einen LM324 dazu bringen, das zu tun, was Sie wollen, also warum nicht in den sauren Apfel beißen und einen LM386 verwenden. Die Mindestversorgung beträgt 4 Volt und kann bei 5 Volt 4 Volt Spitze-Spitze erzeugen. Es ist auch für Audioanwendungen gedacht und kann eine Last von 4 Ohm (oder mehr) treiben: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Lesen Sie das Datenblatt, wenn Sie weitere Details und andere Anwendungsschaltungen wünschen.

Ja, danke, ich bin mir bewusst, dass ich LM386 als dedizierten Audioverstärker mit geringer Leistung verwende, aber ich war neugierig, ob es eine Möglichkeit gibt, mit negativem Clipping umzugehen, wenn ich diese sehr spezifische Konfiguration (Operationsverstärker als Spannungsfolger) verwende. Es gibt einen weiteren wunderbaren Low-Power-Audioverstärker-IC, den LTK8002D . Es handelt sich um einen Audioverstärker der Klasse AB mit einem Versorgungsbereich von 2 bis 5 V und einer Leistung von 3 W bei 5 V und 4 Ohm. Leider scheint es schwer zu finden zu sein, ich habe einen von einem billigen BT-Lautsprecher abgelötet.
@Chupo_cro Leider wird der LM324 mit einer so niedrigen Gesamtlastimpedanz nicht die gewünschte Leistung erbringen, und durch Hinzufügen eines Puffertransistors werden 0,7 Volt in der Spitze-zu-Spitze-Amplitude verloren. Das LTK-Gerät ist ein Brückenverstärker und erzeugt keinen massebezogenen Ausgang, daher vermute ich, dass Sie ihn sowieso nicht verwenden können.
Pferde und Wasser Andy, Pferde und Wasser.
Ja, man kann kein Pferdegetränk machen :-) Ich habe nicht gesagt, dass ich LM386 nicht verwenden werde, tatsächlich werde ich es wahrscheinlich tun. Und wenn jemand in ein paar Tagen keine Lösung findet, indem er die LM324-Spannungsfolgerschaltung modifiziert (was wahrscheinlich nicht der Fall sein wird), werde ich diese Antwort als akzeptiert markieren.
LM386 mit 5-V-Versorgung und 4-Ohm-Last kann nur etwa 2,4 V Spitze-zu-Spitze erzeugen (laut Datenblatt und mit einem Oszilloskop bestätigt).
@Chupo_cro alles sehr interessant, aber deine Last ist mit 100 Ohm angegeben.

Das Problem ist, dass Ihr LM234 möglicherweise 0 Volt treiben kann, wenn er keinen Strom liefern muss, aber beim Sinken des Stroms nicht auf Null sinken kann.

Was Sie tun müssen, ist einen BIAS-Punkt zu verwenden, der nicht dazu führt, dass der Ausgang des Operationsverstärkers auf Null geht. Anstatt mit einer Amplitude von 1,5 V und einer Vorspannung von 1,5 V zu arbeiten, versuchen Sie, mit einer Amplitude von 1,5 V und einer Vorspannung von 2,5 V zu arbeiten. Sie können dies tun, indem Sie die Unterseite Ihres Potentiometers "Signalpegelsteuerung" mit einem Spannungsteiler in der Mitte der Schiene verbinden, anstatt ihn mit der Erdungsschiene zu verbinden.

Möglicherweise müssen Sie auch einen anderen Operationsverstärker (mit höherem Strom und / oder näher an den Schienen) verwenden.

Operationsverstärker-Spannungsfolger mit Einzelversorgung - negatives Clipping mit AC-gekoppelter Last
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