microgeek.eu

Analogowe potyczki

anp_il01.jpg

Jak mówi obiegowe porzekadło, co się odwlecze, to nie uciecze. Ta mądrość ludowa jest chyba prawdziwa. W okresie pobierania nauki na politechnice jakoś mało fascynowały mnie układy analogowe. To odbiło się na całej późniejszej praktyce w zawodzie: procki i układy cyfrowe stały się głównym zajęciem. Jednak zaległości w końcu dały o sobie znać. Nadeszły chwile na eksperymenty ze wzmacniaczami operacyjnymi. Dla wyjadaczy to może i nie są zbyt skomplikowane rozwiązania, ale w moim przypadku (jak na razie to spore wyzwanie). Czas przegonić studenckie strachy i potraktować sprawę poważnie.
Temat jest następujący: mając jedynie dostępne napięcie zasilające +12VDC należy zbudować układ przenoszący sygnał sin w zakresie częstotliwości od 0 do 1 MHz (najlepiej 1,5MHz, będzie mały zapas) i o amplitudzie na wyjściu 12V. Sygnał wejściowy ma amplitudę około 0,3V, więc łatwo wyrachować, że należy uzyskać ponad 30 dB wzmocnienia. I tu się pojawiają pierwsze schody: na takie pasmo sygnału oferta większości opampów to układy o zasilaniu -5V i +5V. Z tym wiąże się drugi problem, bo ujemne napięcia zasilające to trzeba sobie wyprodukować. Można zastosować przetwornicę impulsową, ale tu pojawiają się kolejne schody: przetwornice impulsowe „sieją” różnymi zakłóceniami na zasilaniu. By nie walczyć z wiatrakami i szukać problemów tam, gdzie ich nie ma, zacząłem od rozwiązania zasilania. Wymyśliłem sobie, że w oparciu o rozwiązania impulsowe zostanie wyprodukowane napięcie trochę większe, które „przejdzie” przez klasyczny stabilizator liniowy, który może trochę wytonuje generowany szum. Na końcu dodałem jeszcze jakiś elementarny filtr. Schemat jest następujący:

anp_il02.png

Dalsze eksperymenty są realizowane z napięciem +/-15V (równie dobrze można zastosować układy 7812 i 7912), gdyż znalazłem wzmacniacze operacyjne z zalecanym napięciem zasilania -/+12V oraz -/+15V. Jak się później okazało, układy te nie są typu rait-to-rail, więc przy zasilaniu -/+12V nie da się uzyskać amplitudy sygnału 12V.
Wracając do zasilania.... układ badawczo-eksperymentalny w akcji

anp_il03.jpg

Drogą wielu eksperymentów i badań powstał powyższy schemat. Przykładając „lupkę oscylka” na wejście układu 7815 jest przebieg „zaszumiony” (obrazek poniżej po lewej) i na wyjściu 7815 jest znacząco lepiej (obrazek poniżej po prawej).

anp_il04.png

Trochę gorzej przedstawia się sytuacja dla napięcia ujemnego. Tam na wlocie do 7915 jest większy armagedon (przebieg poniżej po lewej), ale stary i zaprawiony w bojach 7915 jakoś daje sobie radę (przebieg poniżej po prawej).

anp_il05.png

W sumie uznałem uzyskany efekt za zadawalający, znaczy jedne drzwi zostały za sobą zamknięte i czas przejść do kolejnych.

Ze względu na spore wymagania, konieczne stało się wykonanie kilku eksperymentów z układami analogowymi. Nie wszystko da się wyczytać z dokumentacji, więc ważną wiedzę należy pozyskać na drodze własnych badań. Załóżmy, że jest źródło sygnału o amplitudzie około 4V i odpowiedniej częstotliwości. W badaniach został zastosowany generator funkcyjny (generator pokazuje napięcie Vpp, więc ma ustawione 8V na wyświetlaczu). Wystarczy, że stopień wyjściowy zostanie zasilony powyższym układem zasilania. Banalnie prosty układ badawczy pokazuje poniższy rysunek.

anp_il11.png

Na pierwszy ogień poszedł NE5534,

anp_il12.jpg

który wg danych katalogowych na odpowiedni zakres napięcia zasilającego i pasmo częstotliwości (nawet biorąc, że wzmocnienie wynosi 2 mogłem się spodziewać, że powinno zadziałać, naiwność).

anp_il13.png

Układ wymiękł przy około 350kHz. No trochę to daleko od tego czego mogłem się spodziewać.

anp_il14.jpg

Tak się zastanawiałem „o co w tym wszystkim chodzi?”. Oczywiście dopadło mnie pojęcie Gain Bandwidth Product, iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma. Odpowiedź chyba znalazłem w książce P. Góreckiego „Wzmacniacze operacyjne”. Pozwolę sobie zacytować:
„Bardzo istotną kwestią jest praktyczna przydatność podawanych w katalogu parametrów. W tym zakresie producenci od dawna pozwalają sobie na „chwyty”, które niezorientowanych, początkujących konstruktorów mogą wprowadzić w błąd. Aby nie wpaść w takie pułapki, nie fascynuj się wartościami w materiałach reklamowych. Często rewelacyjne wprost wartości parametrów dotyczą selekcjonowanych elementów przeznaczonych do zastosowań specjalnych (militarne, kosmiczne, lotnicze). "
Nic dodać, nic ująć. No i jak tu uwierzyć w słowo pisane? Jedynie własny eksperyment jest coś warty, jak sam nie sprawdzisz, to nie wiesz.
Kolejny typ to OPA37. Firma BB jest znana z nietuzinkowych osiągów, choć zapewne po starej BB pozostały już jedynie gwiazdki a w stajni Texasa … to już inne zjawisko.

anp_il15.jpg

Niestety nie zachwycił mnie ten układ. Wymiękł ciut powyżej 300kHz a moje potrzeby są znacznie większe.

anp_il16.jpg

Googlanie po stronach znanych producentów wzmacniaczy operacyjnych owszem daje jakieś typy, które mogą spełniać wymagania. Piszę „mogą” bo by spełniły, to muszą dać się jakoś pozyskać. Tak całkiem przypadkiem padło na układ AD825, nawet daje się łatwo dostać w naszym kraju.

anp_il17.jpg

No muszę przyznać, że wiara we mnie wróciła. Układ całkiem spoko sobie radzi nawet z 2MHz.

anp_il18.jpg

Co prawda powyżej 1.5MHz amplituda zaczęła lekko przysiadać, ale moim wymaganiem jest granica 1MHz, więc spoko. W czasie badań przy okazji wyszło coś, czego zapewne w datasheecie nie da się wyczytać. Jakoś od 900kHz w górę, układ zaczyna lekko się nagrzewać, tak, że przy 1MHz wyczuwa się temperaturę przy dotyku palcem. Wniosek z tego płynie taki, że w docelowej konstrukcji może trzeba przewidzieć jakiś mały radiatorek.
Już tak całkiem z czystej ciekawości, poddałem eksperymentom układ OP07 (tego całkiem sporo wala mi się w szufladzie). No rewelacji nie ma. Układ dosyć szybko odpadł, już przy 6kHz. Na wyjściu jest przebieg, jakby go ktoś młotkiem potraktował – całkiem pogięty.

anp_il19.jpg

W drodze jeszcze jednego eksperymentu, tak już z czystej ciekawości akademickiej, pod lupę poszedł stary wyjadacz: μA741 (nawet w polskim wydaniu):

anp_il120.jpg

anp_il121.jpg

No muszę przyznać, że nie spodziewałem się osiągniętego wyniku. Niby to zabytek, stary ale dziarski. Dojechał do 14kHz, gdzie wyjściowy sin zaczął odbiegać od powszechnie przyjętego kształtu.

anp_il122.jpg

I tak zdawałoby się proste zadanie nie okazało się tak prostym jak można by przypuszczać. Własne wyobrażenia trochę odjechały od rzeczywistości, ale samodzielnie przeprowadzona próba zawsze sprowadza działania na właściwe tory.

No na parametr unity gain bandwith już nie jeden sie nabrał jak nie wniknął w definicje parametru, dla tych co mogliby się nabrać jeszcze, prosty przykład jeśli GBW jest 1MHz, to oznacza, że przy zmocnieniu 1 pasmo jest 1MHz ale juz dla wzmocnienia 10 pasmo spadnie do 100kHz. Po prostu jest to parametr który mówi ze iloczyn pasma i wzmocnienia jest stały i równy podanej wartości przez producenta, co nie oznacza ze tak jest w praktyce o czym już kolega napisał wyżej.

Konkluzja jest taka, że należy patrzeć na wykresy, a nie na tabelki , ot cała tajemnica.

wojtek pisze:prosty przykład jeśli GBW jest 1MHz, to oznacza, że przy zmocnieniu 1 pasmo jest 1MHz ale juz dla wzmocnienia 10 pasmo spadnie do 100kHz.

Sens tego parametru to jest mi znany, natomiast rachunki nie pokrywają się z rzeczywistością. W DS przykładowo od NE5534 jest napisane Unity Gain Bandwidth jest 10MHz, więc dla wzmocnienia Ku=2 mogłem się spodziewać 5MHz. Natomiast wyszło jak wyszło .
Dysproporcja między rachunkowym 5MHz a rzeczywistym 350kHz jest ogromna i to mnie najbardziej dziwi.

... a to nie wątpiłem, że Ty sens tego parametru znasz, po prostu dałem taki przykład wyjaśniający, inna sprawa że ten parametr jest podawany dla konkretnych warunków, zasilanie wydaje się ze jest takie jak podają ale co z pojemnością kompensacji i obciążenia? no i pewnie layout "pcb" tez ma wpływ, tyle czy aż tak duży to chyba nie.

Jest w tym wszystkim jakaś wiedza tajemna. Układ badawczy, nie zaprzeczam, jest to na fotkach, to konstrukcja lotnicza (lotnicza, bo wszystko lata). Zapewne mogło to mieć jakiś wpływ. Moja dociekliwość chce poznać tematykę, ale... nie jest to tak proste, jak by się mogło wydawać. Jeszcze trochę trzeba się potrudzić.

Pytanie o pochodzenie tych układów, sporo podrób powstało w ostatnich latach, szczególnie tych bardziej polularnych OPampów i one za cholerę nie trzymają parametrów.

Ogólnie z własnego doświadczenia wiem, że wszystkie graniczne parametry trzeba brać dla wzmocnienia x1

No tak, jest taka opcja. Jednak jeżeli TME będzie sprzedawać podróby, to koniec świata

Kiedyś miałem problem z RTL8019AS, padały jak muchy, kolejna partia była już mniej awaryjna. Obie kupione w odstępie roku na TME. Swojego czasu rocznie wymieniałem w okolicach 50-70tych układów.

PS. ja mam część takich opampów zamówionych bezpośrednio u producenta jako sample. Ewentualnie farnell, tam się jeszcze nigdy nie naciąłem.

Co nie znaczy że twierdzę iż TME sprzedaje podróby. Jedynie z RTLami miałem takie dosyć nieprzyjemne zdarzenie.

Rzeczywiście, w dobie różnych naciągaczy uczciwość i rzetelność to podstawa. Jednak komuś w końcu trzeba zaufać. Dobrym wyjściem jest bezpośrednie sięganie do źródła, może trzeba zmienić swoje dotychczasowe przyzwyczajenia. Przy okazji, taka opcja zakupowa pozwala uzyskać coś, czego nikt jeszcze nie ma. Człowiek najlepiej uczy się na własnych błędach.

OP07 to układ wybitnie stałoprądowy, więc stosowanie go w torach sygnałów AC nie ma sensu. Z kolei 741 jest "uniwersalny" taki do wszystkiego do niczego. Ciekawe jakby wypadł LF357.

Prosisz, dostajesz. Jeszcze nie rozebrałem "aparatury pomiarowej", więc mogę zrobić próbę tylko muszę zlokalizować operacza. W standardowej szufladzie z operaczami takiego nie mam, ale są inne szuflady, gdzie mogą być, tylko trzeba poszukać.

Kto szuka, ten znajdzie. Właśnie namierzyłem rzeczony scalaczek: LF357.

anp_il31.jpg

No to do roboty. Scalaczek ląduje w miejscu laboratoryjnym i zostaje poddany eksperymentom. Sygnał wejściowy jest w tych samych kategoriach co wcześniej.

anp_il32.jpg

No muszę powiedzieć, że poczciwy LF357 trochę mnie zaskoczył.
Przy 500kHz zaczęły się pojawiać zniekształcenia dolnej sinusoidy, ale charakter sygnału jest nadal zachowany.

anp_il33.jpg

anp_il34.png

Przy 800kHz praktycznie nic się nie zmieniło, „Krzywizny” ujemnej połówki nie odbiegają od wcześniejszych.

anp_il35.jpg

anp_il36.png

Przy 1MHz nieznacznie pogłębiają się dotychczasowe problemy, jednak co warto zauważyć, nadal układ trzyma amplitudę sygnału wyjściowego (czego nie można powiedzieć o wcześniejszych układach, które zaczęły wymiękać).

anp_il37.jpg

anp_il38.png

W sumie układ LF357 to całkiem sensny opamp, którego, przyznam szczerze, nie doceniałem. Patrząc na dokumentację scalaczka to dla wzmocnienia 0dB układ powinien dojechać do 5MHz. No niestety tego nie sprawdzę, bo mój generatorek sięga jedynie do 3MHz.

anp_il39.png

Tak przyszła mi do głowy pewna konkluzja: czy nie jest to spowodowane „jakością” zasilania. We wcześniejszych badaniach dało się zauważyć, że ujemne napięcie zasilające na wyjściu przetwornicy jest trochę gorszej jakości. Czy przypadkiem obserwowany wynik nie jest nałożeniem się większej liczby problemów. To co jest obserwowane może mieć całkiem inną przyczynę niż ciągle nam się to nasuwa w pierwszej sugestii i nie jest dostrzegana prawdziwa przyczyna. By to zweryfikować, to należałoby całość zasilić z akumulatora, ale to temat na przyszłość.

To jest raczej kwestia wewnętrznej konstrukcji opampa, LF357 to prosty wzmacniacz, nie specjalnie dokładny, niskoszumny. Stąd nie ma ograniczenia pasma. W poprzednich to kwestia kompromisów. Tutaj ci już sieje sporymi harmonicznymi w sygnale, co jest w wielu zastosowaniach bardzo niewskazane. Lepiej jak charakterystyka wzmacniacza zaczyna łagodnie schodzić i tłumić sygnał, niż jak się mają pojawiać takie artefakty na sygnale. Bo to jest dużo bardziej szkodliwe. Ot taka moja subiektywna dygresja .

PS. Musiał bym poszukać w starych książkach, bo kiedyś pokazywali schematy wewnętrzne starszych opamów, po tym można było ogarnąć mniej więcej zachowanie się wzmacniacza.

I nie wiem czy przypadkiem w kursie EdW o wzmacniaczach operacyjnych nie była mowa o podobnych problemach.

LF357 ma pasmo 20 MHz. Wtedy to było naprawdę coś. TL081 i pokrewne nawet połowy tego nie osiągały.

GrumpyRez pisze:I nie wiem czy przypadkiem w kursie EdW o wzmacniaczach operacyjnych nie była mowa o podobnych problemach.

Czytałem, ale jakoś nie namierzyłem.

kaf pisze:LF357 ma pasmo 20 MHz. Wtedy to było naprawdę coś. TL081 i pokrewne nawet połowy tego nie osiągały.

Czasy się zmieniają, możliwości się zmieniają, nic nie stoi w miejscu. Mam do eksperymentów AD8009.

IMG_8814.JPG

który ma (ponoć) "kosmiczne" możliwości.

ad8009.png

Ciekawe ile z tego to prawda a ile marketing? Tego nawet w warunkach domowych nie da się zbadać i jest potrzebne jakieś lepsze laboratorium

W przypadku w/w wzmacniacza parametry masz dosyć dobrze opisane, tj. w jakich warunkach możesz się spodziewać dużego SR na wyjściu.

Ogólnie do tego typu zastosowań nie używa się wzmacniaczy z pętlą napięciową (VFA) tylko z pętlą prądową (CFA), jak ten właśnie AD8009.
Kiedy charakterystyka wzmocnienia w funkcji częstotliwości VFA spada już w dół CFA jeszcze długo mają linię prostą. Tego typu układy są dosyć młode, stosowane gdzieś od początku wieku.
Jednak CFA nie są bez wad - są mniej precyzyjne i trudniejsze w zastosowaniu. Polecam książkę "Wzmacniacze operacyjne - teoria i praktyka" gdzie są przedstawione bardziej szczegółowo.

Wg mnie zupełnie niesłusznie przy ocenie parametrów nie wzięto pod uwagę wykonania, tzn. tych wszystkich "pająków" związanych z płytka stykową.
Wszelkie parametry pasożytnicze będą miały istotny wpływ na parametry graniczne wzmacniaczy.
Może warto w następnym kroku testów polutować, choćby na płytce uniwersalnej układ testowy, np. z podstawką pod opampy i powtórzyć przynajmniej część testów.

Nutahttps://www.youtube.com/watch?v=SMmDIMmQTak

Problem do rozwiązania jest taki, że potrzebny jest układ sterowany z procka, który wyprodukuje napięcie analogowe z zakresu 0 .. 1.2V z maksymalnie drobnym krokiem inkrementacji. Poza „rozdzielczością” istotna jest stabilność wygenerowanego napięcia. Na stabilność, co raczej nie powinno być dziwne, wpływ będzie miało napięcie referencyjne. To od jego jakości zależeć będzie „dalszy sukces”. Musi być „czyste” bez żadnej skazy i wtrąceń. Sprawdziłem kilka wariantów za pomocą symulatora i uzyskałem następującą postać:

anp_il41.png

Te 1.2V na wyjściu, to wartość taka trochę szacunkowa, mniejsze znaczenie ma ile natomiast znacząco większe znaczenie ma stałość napięcia. Zastosowałem układ LM285-2.5. Trochę leciwy scalaczek, ale ma jedną bardzo istotną zaletę: jest w szufladzie i czaka na swoje 5 minut. Razem z opampem produkuje napięcie Uref=4V. Rachunkowo to wychodzi 4.032V, ale wiadomo... tolerancja elementów ma również swój wpływ, więc można uznać, że jest to 4V. Dalej jest 12-bitowy przetwornik cyfra-analog. Wynik jest poprzez opampy przerobiony an wymagany efekt końcowy. Odchyłki wartości elementów można ująć w oprogramowaniu, toteż sądzę, że propozycja spełni oczekiwania. Ile jest w tym prawdy, to pokaże czas. Na razie patrzę z nadzieją w przyszłość.

a może zamiast LM285 i W.O. wstawić MCP1541, Uref = 4.096V, jak znalazł do 12-bitowego przetwornika
http://ww1.microchip.com/downloads/en/d ... 21653c.pdf
samplusie przysyłają, a i kupić idzie w dobrej cenie, warto zerknąć...

Generalnie masz rację. Nawet jestem przygotowany na taką opcję.

anp_il43.jpg

Rozważałem wiele wariantów a przeważył swoisty pragmatyzm: coś z tym trzeba zrobić, bo do gotowania zupy to słabo się nadaje

anp_il42.jpg

a jakoś trzeba to zużyć. Chyba, że masz ochotę partycypować w konsumpcji, to się podzielę.