Schmitt-Trigger mit 741-Operationsverstärker verhält sich nicht wie in der Simulation

Ich implementiere einen Schmitt-Trigger mit der unten gezeigten Schaltung. Diese Schaltung besteht aus einem Operationsverstärker LM741, der als asymmetrischer Schmitt-Trigger mit einer einzigen Stromversorgung fungiert. Laut diesem Rechner sollte die Wahl einer 5-V-Versorgung und 1-kOhm-Widerständen für R1, R2 und RFB zu einer unteren Schwelle von 1,66 V und einer oberen Schwelle von 3,33 V führen.

Ich habe diesen Schmitt-Trigger zuerst in LTspice mit einem idealen Operationsverstärker (universal op-amp 2) simuliert. Ein Schaltplan ist unten dargestellt.

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Dies führte zu dem idealen Verhalten, bei dem der Ausgang auf die positive oder negative Schiene (Masse) gesättigt wird, wenn der Eingang unter die untere Schwelle fällt bzw. über die obere Schwelle steigt:

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Als nächstes ersetzte ich den idealen Operationsverstärker durch einen LM741 (den ich in der Praxis verwende) und führte die Simulation erneut aus. Ich habe das LTspice-Modell für den 741 von der TI-Website erhalten . Der Schaltplan ist unten dargestellt:

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Beim Ausführen der Simulation stelle ich fest, dass der Operationsverstärker nicht bis zur positiven Schiene oder bis zur negativen Schiene sättigen kann:

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Als nächstes baute ich das Gerät auf einem Steckbrett und maß die Ausgangsspannung, wenn der Eingang entweder geerdet (0 V) oder an die +5 V-Versorgung gebunden war. Eine Abbildung, die meine Schaltung zeigt, ist unten gezeigt. Das grüne Kabel links ist mit Masse verbunden, das grüne Kabel rechts ist mit +5 V verbunden, das rote Kabel ist der Eingang und das blaue Kabel ist der Ausgang.

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Wenn ich die Ausgangsspannung mit einem Oszilloskop messe, stelle ich fest, dass der Ausgang +4,5 V beträgt, wenn der Eingang geerdet ist, und wenn der Eingang mit +5 V verbunden ist, der Ausgang 2 V beträgt.

Fragen:

  1. Woher kommt die Nicht-Idealität im Operationsverstärker 741? Was bewirkt, dass sowohl die zweite Simulation als auch die reale Schaltung vom idealen Operationsverstärker in der ersten Simulation abweichen?
  2. Ist es möglich, den 741 dazu zu bringen, sich mehr wie ein idealer Operationsverstärker zu verhalten? Oder gibt es andere Operationsverstärker, die ich verwenden könnte, die ähnliche Spezifikationen für den Ausgangsstrom haben, die sich eher wie der ideale Operationsverstärker verhalten (Teilenummern wären großartig)?
  3. Warum stimmt das simulierte Ergebnis für den 741 nicht mit dem experimentellen Ergebnis überein?

Bearbeiten : Als ich den Kommentar von @ Felthry sah, simulierte ich dieselbe Schaltung, jedoch mit einem LM358 anstelle von LM741, wobei das hier gefundene Modell verwendet wurde . Meine Schaltung und Ergebnis sind unten gezeigt:

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Weil es einen Unterschied zwischen „ideal“ und „real“ gibt? Welche Toleranz haben die Widerstände? usw
741 funktioniert nicht mit einer 5-V-Versorgung. Sie benötigen ein absolutes Minimum von 10 V, 15 V wären besser. Verwenden Sie einen Niederspannungs-Schienen-2-Schienen-Verstärker, wenn Sie mit 5 V arbeiten möchten.
Um Ihre zweite Frage zu beantworten, ist die beste Lösung, sich einfach einen modernen Operationsverstärker zu besorgen, anstatt ein Design aus den sechziger Jahren zu verwenden. Probieren Sie den LM358 aus. Die Fragen 1 und 3 erfordern mehr Erklärungen, als ich jetzt Zeit habe, sorry.
Nachdem Sie die Ausgangsschwankung des BJT-Operationsverstärkers aufgrund von Stromsenken und Emitterfolgerabfällen untersucht haben, verwenden Sie den mittleren Ausgang, um den R-Teiler vorzuspannen, anstatt V + / 2, und bedenken Sie dann, dass die Vpp reduziert wird, dann muss die Rückkopplung entsprechend erhöht werden. Während ein CMOS OA Rail-to-Rail ist. Genau wie 74HC14
Eine Suche hier im EE-Stack nach 741 wird Ihre Frage beantworten.
Das ^^ und genauer gesagt, warum Sie keinen 741-Operationsverstärker verwenden und insbesondere erwarten sollten, dass er mit 5 V funktioniert. Der 741 wurde in den Tagen entwickelt (und verwendet), als es +/- 12 V oder +/- 15 V gab Die Norm. Verwenden Sie einen MCP601 oder einen solchen, der für 5 V ausgelegt ist . Ich sehne mich nach den Tagen, an denen Anfänger den 741 nicht mehr verwenden.
Ich hoffe, dass die 741 bleibt. Es hat so ziemlich jede mögliche Warze, die ein Operationsverstärker haben könnte. Absolut nichts ist am 741 ideal. Wie kann man besser lernen? Wenn Sie einen 741-Sprung durch Reifen schaffen und die Arbeit erledigen können, dann werden Sie definitiv in der Lage sein, mit allem fertig zu werden, was ein moderner Opamp Ihnen entgegenwerfen könnte.
@Neil_UK, das war ein toller Fang. Ich bin gerade nicht an meinem Schreibtisch, aber ich werde morgen als erstes sehen, wie sich die 10- und 15-V-Versorgung verhält.
@Felthry, danke für deinen Kommentar. Ich habe meine Frage so bearbeitet, dass sie Simulationsdetails mit dem LM358 enthält. Während die untere Schiene 0 V erreicht, sättigt die obere Schiene bei 3,5 V. Außerdem stimmen die Triggerpunkte von 1,69 V und 2,81 V nicht mit den analytisch berechneten überein (1,66 V und 3,33 V). Gibt es eine Möglichkeit, dies zu beheben?
@Vivek: Hast du die Schaltpunkte auf Basis der 3,5 V Maximalleistung neu berechnet?
@Transistor, danke für deinen Kommentar. Bitte entschuldigen Sie meine Unwissenheit, aber wo sehen Sie, dass die maximale Leistung 3,5 V beträgt?
@VivekSubramanian Interessieren Sie sich für eine externe Schaltung, die Sie einem 741 hinzufügen können, damit der Ausgang vollständig zwischen den Schienen wandert?
@jonk, ja, das wäre toll. Ich habe tatsächlich eine viel größere Schaltung, die ich alle mit idealen Komponenten simuliert habe. Die Simulation funktioniert wie gewünscht, aber die reale Schaltung, die ich aus der Simulation habe, funktioniert nicht wie beabsichtigt. Ich kann mir vorstellen, dass ich beim Debuggen meines Geräts auf andere Probleme stoßen werde, aber es wäre ein guter Ausgangspunkt, den Ausgang des Schmitt-Triggers irgendwie auf die Schienen zu bringen.
@vivek: Sie haben im Kommentar vor meinem eine maximale Ausgangsleistung von 3,5 V gemeldet. Es ist auch in Ihrem letzten Diagramm sichtbar.
@Transistor, ich habe nur das Diagramm interpretiert, aber ich hatte erwartet, dass der Ausgang bei +5 V und bei Masse für die niedrigen bzw. hohen Fälle gesättigt ist. Mir ist nicht klar, warum es bei +3,5 V und Masse gesättigt ist.
@VivekSubramanian Dann füge ich einen hinzu.

Antworten (1)

Der National (jetzt TI) LM741 ist wirklich nicht gut genug, um von einem einzigen zu laufen 5 v Versorgungsschiene. Das LM741-Datenblatt schlägt vor, dass Sie mit Ihrer Ladung garantiert in etwa kommen 3 v jeder Schiene. Das Typische ist besser; innerhalb von etwa 1 v jeder Schiene. Aber das ist nicht die Garantie für ihren Betriebsbereich. Es kann also ein gutes Argument dafür angeführt werden, dass der LM741 nicht sicher sein kann, auf einem zu funktionieren 5 v Schiene.

Das heißt, es ist wahrscheinlich , dass Sie es hier zum Laufen bringen können.

Dazu muss ich jedoch einen Weg in Betracht ziehen, um sicherzustellen, dass eine kleine Abweichung des Ausgangs des LM741-Operationsverstärkers ausreicht, um etwas bis zu den Schienen zu fahren. Möglicherweise können Sie die Ausgabe in der Nähe erhalten 1 v , aber ich bin lieber konservativ und bilde mir nichts Besseres ein 2 v überirdisch. Möglicherweise können Sie die Ausgabe auch in der Nähe erhalten 4 v , aber ich bin lieber konservativ und bilde mir nichts Besseres ein 3 v überirdisch. Halten Sie es so konservativ wie möglich und arbeiten Sie von dort aus.

Diese diskrete Ausgangsstufe kann Ihrem Operationsverstärker hinzugefügt werden:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

(Da Sie keine Mittelpunktspannung verwenden können, musste ich eine mit dem konstruieren R 6 Und R 7 Spannungsteiler.)

Das ist alles. Ich denke, das wird es einem LM741 ermöglichen, einen Komparatorausgang nahe an den Schienen ziemlich gut zu fahren. Und dies auch mit einer ziemlich glaubwürdigen Belastung (erhöhte Einhaltung des Ausgangsstroms!)

Natürlich gibt es die offensichtliche Option, für diesen Zweck einen besseren Opamp (oder Vergleicher) zu kaufen.

So sehr ich denke, dass die 741 verschwinden sollte, gefällt mir Ihr Kommentar oben. Menschen, die die Realität der Unvollkommenheiten entdecken. Nicht schlecht. Upvote wert.
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