Warum kann dieser Operationsverstärker LM324 ein Signal oberhalb einer bestimmten Frequenz nicht reproduzieren?

Es scheint, als ob Sie auf Slew-Rate-Beschränkungen stoßen, und Ihr Ausgang weist eine sogenannte „ Slew-Induced Distortion “ auf – der Ausgangshub des Operationsverstärkers wird durch die Slew-Rate begrenzt, sodass die Frequenz die Grenze für den maximalen Ausgangshub ohne erhöht „ Slew-Induced Distortion “ nimmt ab – typischerweise haben Operationsverstärker-Datenblätter ein „ Output Swing vs. Frequency “-Diagramm.

Werfen Sie einen Blick auf Abbildung 6 des LM324-Datenblatts und sehen Sie, wo sich Ihr Signal im Diagramm gemäß den von Ihnen freigegebenen Oszilloskopaufnahmen befindet (siehe unten). Idealerweise möchten Sie "unter der Kurve" bleiben.

Wenn Sie mehr über die Anstiegsgeschwindigkeit erfahren möchten, werfen Sie einen Blick auf die Serie „Anstiegsgeschwindigkeit“ in der Precision Labs for Op Amps-Schulung .

Der LM324 ist ein alter und langsamer OPA. Es hat eine begrenzte "Anstiegsrate", nicht mehr als 0,5 V / us, was es nicht erlaubt, Signaländerungen mit großer Amplitude schneller als 1 MHz zu folgen, wie Sie dies in Ihrem eigenen Experiment festgestellt haben.

Es gibt nichts, was Sie tun können, um die Slew-Rate zu verbessern. Sie müssen einen schnelleren Operationsverstärker beschaffen.

Probieren Sie stattdessen dieses Datenblatt aus.
Siehe Tabelle 6.8 – Betriebsbedingungen auf Seite 7.
Der erste Parameter in der Tabelle ist die „Anstiegsgeschwindigkeit bei Einheitsverstärkung“.
Dies sagt Ihnen, wie schnell sich der Ausgang des Operationsverstärkers bewegen kann, und für diesen LM324 sind es 0,5 V / μs - und das fast ohne Last (1 MΩ || 30 pF).

Aus Ihren Oszilloskopmessungen geht hervor, dass Sie etwa 0,2 bis 0,25 V / μs sehen - bei einer Last nicht ganz unvernünftig.

Als allgemeine Faustregel gilt, dass die volle Leistungsbandbreite (Obergrenze) eines Operationsverstärkers etwa 10 % oder weniger der Einheitsverstärkungsfrequenz beträgt. Denk darüber nach.

Einheitsverstärkung bedeutet, dass Sie eine Frequenz erreicht haben, bei der die Verstärkung bestenfalls gleich eins ist, unabhängig davon, welche Testbedingungen der Hersteller vorgibt. Dies ist auch KEINE Ausgabe mit voller Stärke. Es bedeutet einfach Vout = Vin bei einem Wert, der weit unter der vollen Leistung liegt.

Ein Transistor mit einem hFE von 100 bei 100 kHz und vollem Spannungshub kann 1 Volt pp bei 1 MHz ausgeben, mit einem 1-Volt-pp-Eingang. Das ist das Beste, was es tun kann.

Der Begriff „Unity-Gewinn“ ist etwas irreführend, da er einen nutzbaren Gewinn impliziert, aber in Wahrheit hat der Gewinn seine Grenze erreicht. Für eine volle Ausgangsleistung mit angegebener Verstärkung nehmen Sie 10 % der Einheitsverstärkung als Ausgangspunkt.

Einige Hersteller gehen in ausführliche Details mit Diagrammen für Verstärkung vs. Frequenz und Last usw. Lesen Sie diese Details, wenn sie auf dem Datenblatt stehen, und sie werden Ihnen dabei helfen, klar zu machen, wo Sie eine nutzbare Verstärkung bei voller Leistung erwarten können - oder nicht.

Versuchen Sie diese Transistorschaltung

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Mit einer standardmäßigen 10X-Oszilloskopsonde an Vout (ca. 13 pF) haben Sie eine Bandbreite von etwa 3 Nanosekunden (50.000.000 Hertz). Stellen Sie R9 ein, um die Grundlinie der Ausgangsspannung zu steuern.

Sie können R3 auf 220 oder 330 oder 430 Ohm erhöhen; Bei den höheren Widerstandswerten steigt die Kollektor-Basis-Kapazität, wenn Vout nahe 1,0 V liegt, und Sie werden ein langsameres Einschwingen feststellen. Dadurch ergibt sich ein hochfrequentes nichtlineares Verhalten (2nd Harmonic Distortion) und es entsteht eine Summen-/Differenz-Intermodulation. Mit nur 4 Bit bezweifle ich, dass dies ein Problem für Sie sein wird. Aber Sie könnten ein paar weitere Widerstände auf 6 oder 8 Bit hochskalieren und mit vorgefertigten Sinussummen-Wellenformen füttern und dann die FFT auf einem Oszilloskop oder Spektrumanalysator untersuchen.

Leistungsverbesserung: Wenn Sie den unteren der beiden Widerstände R1 und R9 auf -0,2 Volt vorspannen können, verbessert sich Ihre Linearität, was wahrscheinlich für große #Bits erkennbar ist. Beachten Sie, dass das Laden auf den Logikeingangsleitungen nicht konsistent ist und dies auch Nichtlinearitäten erzeugt.

Die Verwendung einer differentiellen Stromsteuerung, vielleicht mit bipolaren Stromquellen und zum Steuern verwendeten Diodenschaltern, reduziert die Nichtlinearität. Irgendwann hat man teuer einen DAC08 von Precision Monolithics Corp gebaut, aber mit 20MHz bis 50MHz Bandbreite. Untersuchen Sie dieses Datenblatt.

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