Eksperyment precyzyjnej rektyfikacji: 11 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Niedawno przeprowadziłem eksperyment na precyzyjnym obwodzie rektyfikacyjnym i wyciągnąłem kilka wstępnych wniosków. Biorąc pod uwagę, że precyzyjny obwód prostownika jest obwodem powszechnym, wyniki tego eksperymentu mogą dostarczyć pewnych informacji referencyjnych.

Obwód eksperymentalny jest następujący. Wzmacniacz operacyjny to AD8048, główne parametry to: duża szerokość pasma sygnału 160MHz, szybkość narastania 1000V/us. Jest to dioda SD101, dioda Schottky'ego o czasie powrotu wstecznego 1ns. Wszystkie wartości rezystorów są określone w odniesieniu do arkusza danych AD8048.

Krok 1:

Pierwszy krok eksperymentu: odłącz D2 w powyższym obwodzie, zewrzyj D1 i wykryj dużą odpowiedź częstotliwościową sygnału samego wzmacniacza operacyjnego. Szczyt sygnału wejściowego jest utrzymywany na poziomie około 1 V, częstotliwość zmienia się z 1 MHz na 100 MHz, amplitudy wejściowe i wyjściowe są mierzone za pomocą oscyloskopu i obliczane jest wzmocnienie napięciowe. Wyniki są następujące:

W zakresie częstotliwości od 1M do 100M przebieg nie ma zauważalnych znaczących zniekształceń.

Zmiany wzmocnienia są następujące: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Widać, że częstotliwość odcięcia w pętli zamkniętej dużego sygnału 3 dB tego wzmacniacza operacyjnego wynosi nieco ponad 100 MHz. Wynik ten jest zasadniczo zgodny z krzywą odpowiedzi częstotliwościowej dużego sygnału podaną w instrukcji AD8048.

Krok 2:

W drugim kroku eksperymentu dodano dwie diody SD101A. Amplituda sygnału wejściowego pozostaje na poziomie około 1 V podczas pomiaru wejścia i wyjścia. Po obserwacji przebiegu wyjściowego funkcja pomiarowa oscyloskopu służy również do pomiaru wartości skutecznej sygnału wejściowego i średniej okresu sygnału wyjściowego oraz obliczenia ich stosunku. Wyniki są następujące (dane to częstotliwość, średnia wyjściowa mV, na wejściu rms mV i ich stosunek: średnia wyjściowa / wejściowa wartość skuteczna):

100kHz, 306, 673, 0,45

1MHz, 305, 686, 0,44

5MHz, 301, 679, 0,44

10MHz, 285, 682, 0,42

20MHz, 253, 694, 0,36

30MHz, 221, 692, 0,32

50MHz, 159, 690, 0,23

80MHz, 123, 702, 0,18

100MHz, 80, 710, 0,11

Widać, że obwód może osiągnąć dobre prostowanie przy niskich częstotliwościach, ale wraz ze wzrostem częstotliwości dokładność prostowania stopniowo maleje. Jeśli wyjście jest oparte na 100 kHz, wyjście spadło o 3 dB przy około 30 MHz.

Przepustowość wzmocnienia jedności dużego sygnału wzmacniacza operacyjnego AD8048 wynosi 160 MHz. Wzmocnienie szumów tego obwodu wynosi 2, więc pasmo w zamkniętej pętli wynosi około 80 MHz (opisane wcześniej, rzeczywisty wynik eksperymentu jest nieco większy niż 100 MHz). Średnia moc wyprostowanego wyjścia spada o 3 dB, co stanowi około 30 MHz, mniej niż jedną trzecią szerokości pasma zamkniętej pętli testowanego obwodu. Innymi słowy, jeśli chcemy stworzyć precyzyjny obwód prostownika o płaskości mniejszej niż 3dB, pasmo obwodu zamkniętej pętli powinno być co najmniej trzy razy wyższe niż najwyższa częstotliwość sygnału.

Poniżej znajduje się przebieg testowy. Żółty przebieg to przebieg zacisku wejściowego vi, a niebieski przebieg to przebieg zacisku wyjściowego vo.

Krok 3:

Wraz ze wzrostem częstotliwości okres sygnału staje się coraz mniejszy, a odstęp stanowi coraz większy odsetek.

Krok 4:

Obserwując w tym momencie sygnał wyjściowy wzmacniacza operacyjnego (zauważ, że nie jest to vo), można stwierdzić, że kształt fali wyjściowej wzmacniacza operacyjnego ma poważne zniekształcenia przed i po przejściu przez zero wyjścia. Poniżej znajdują się przebiegi na wyjściu wzmacniacza operacyjnego przy 1MHz i 10MHz.

Krok 5:

Poprzedni przebieg można porównać do zniekształceń zwrotnicy w obwodzie wyjściowym push-pull. Poniżej podano intuicyjne wyjaśnienie:

Gdy napięcie wyjściowe jest wysokie, dioda jest w pełni włączona, w tym momencie ma zasadniczo stały spadek napięcia lampy, a wyjście wzmacniacza operacyjnego jest zawsze o jedną diodę wyższe niż napięcie wyjściowe. W tym momencie wzmacniacz operacyjny pracuje w liniowym stanie wzmocnienia, więc kształt fali wyjściowej jest dobrą falą nagłówkową.

W momencie gdy sygnał wyjściowy przekracza zero, jedna z dwóch diod zaczyna przechodzić od przewodzenia do odcięcia, a druga przechodzi ze stanu wyłączonego do włączenia. Podczas tego przejścia impedancja diody jest niezwykle duża i można ją aproksymować jako obwód otwarty, więc wzmacniacz operacyjny w tym czasie nie pracuje w stanie liniowym, ale blisko otwartej pętli. Pod napięciem wejściowym wzmacniacz operacyjny zmieni napięcie wyjściowe z maksymalną możliwą szybkością, aby doprowadzić diodę do przewodzenia. Jednak szybkość narastania wzmacniacza operacyjnego jest ograniczona i niemożliwe jest podniesienie napięcia wyjściowego, aby dioda włączyła się natychmiast. Dodatkowo dioda posiada czas przejścia z włączenia na wyłączenie lub z wyłączenia na włączenie. Więc jest przerwa w napięciu wyjściowym. Z przebiegu wyjścia wzmacniacza operacyjnego powyżej widać, jak „walczy” działanie przejścia przez zero w próbie zmiany napięcia wyjściowego. Niektóre materiały, w tym podręczniki, mówią, że ze względu na głębokie ujemne sprzężenie zwrotne wzmacniacza operacyjnego nieliniowość diody zostaje zredukowana do oryginalnej wartości 1/AF. Jednak w rzeczywistości w pobliżu przejścia przez zero sygnału wyjściowego, ponieważ wzmacniacz operacyjny znajduje się blisko otwartej pętli, wszystkie wzory na ujemne sprzężenie zwrotne wzmacniacza operacyjnego są nieważne, a nieliniowość diody nie może być analizowana przez zasada negatywnego sprzężenia zwrotnego.

Jeśli częstotliwość sygnału jest dalej zwiększana, nie tylko pojawia się problem z szybkością narastania, ale również charakterystyka częstotliwościowa samego wzmacniacza operacyjnego ulega pogorszeniu, więc kształt fali wyjściowej staje się dość zły. Poniższy rysunek przedstawia przebieg wyjściowy przy częstotliwości sygnału 50 MHz.

Krok 6:

Poprzedni eksperyment opierał się na wzmacniaczu operacyjnym AD8048 i diodzie SD101. Dla porównania zrobiłem eksperyment na wymianę urządzenia.

Wyniki są następujące:

1. Wymień wzmacniacz operacyjny na AD8047. Duża szerokość pasma sygnału wzmacniacza operacyjnego (130 MHz) jest nieco niższa niż AD8048 (160 MHz), szybkość narastania jest również niższa (750 V/us, 8048 to 1000 V/us), a wzmocnienie w otwartej pętli wynosi około 1300, co również niższy niż 2400 z 8048..

Wyniki eksperymentalne (częstotliwość, średnia wyjściowa, wejściowa wartość skuteczna i ich stosunek) są następujące:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Widać, że jego tłumienie 3dB jest mniejsze niż niewiele przy 20MHz. Przepustowość zamkniętej pętli tego obwodu wynosi około 65 MHz, więc średni spadek wyjściowy o 3 dB jest również mniejszy niż jedna trzecia przepustowości zamkniętej pętli obwodu.

2. Zamień SD101 na 2AP9, 1N4148 itd., ale wyniki końcowe są podobne, nie ma istotnej różnicy, więc nie będę ich tutaj powtarzał.

Istnieje również obwód, który otwiera D2 w obwodzie, jak pokazano poniżej.

Krok 7:

Istotna różnica między nim a obwodem wykorzystującym dwie diody (zwanym dalej obwodem dwururowym) polega na tym, że w obwodzie dwururowym wzmacniacz operacyjny znajduje się tylko w stanie w przybliżeniu otwartej pętli w pobliżu przejścia sygnału przez zero, a ten obwód (zwany dalej obwodem jednorurowym) Działanie w środku jest w stanie całkowicie otwartej pętli przez połowę okresu sygnału. Jego nieliniowość jest więc zdecydowanie poważniejsza niż układ dwulampowy.

Poniżej znajduje się przebieg wyjściowy tego obwodu:

100kHz, podobnie jak w układzie dwulampowym, również ma przerwę, gdy dioda jest włączona. W oryginalnym miejscu powinny być jakieś wybrzuszenia. Sygnał wejściowy jest przesyłany bezpośrednio przez dwa 200 omowe rezystory. Można tego uniknąć, nieznacznie poprawiając obwód. Nie ma to nic wspólnego z problemami, które omówimy poniżej. To jest 1MHz.

Krok 8:

Ten przebieg wyraźnie różni się od układu dwulampowego. Obwód dwururowy ma opóźnienie około 40 ns przy tej częstotliwości, a opóźnienie obwodu jednorurowego wynosi 80 ns i jest dzwonienie. Powodem jest to, że wzmacniacz operacyjny jest całkowicie otwarty w pętli przed włączeniem diody, a jego wyjście jest bliskie ujemnemu napięciu zasilania, więc niektóre z jego wewnętrznych tranzystorów muszą znajdować się w stanie głębokiego nasycenia lub głębokiego wyłączenia. Kiedy wejście przekracza zero, tranzystory, które są w stanie głębokiego uśpienia, najpierw się budzą, a następnie napięcie wyjściowe jest podnoszone do diody z szybkością narastania.

Przy niższych częstotliwościach szybkość narastania sygnału wejściowego nie jest duża, więc efekty tych procesów nie są widoczne (jak w przypadku 100k powyżej), a po wysokiej częstotliwości szybkość sygnału na wejściu jest duża, tym samym „budząc” tranzystor. Wzrośnie napięcie lub prąd wzbudzenia, co spowoduje dzwonienie.

Krok 9:

5MHz. Na tej częstotliwości w zasadzie nie ma rektyfikacji.

Krok 10: Wniosek

Na podstawie powyższych eksperymentów można wyciągnąć następujące wnioski:

1. Gdy częstotliwość jest bardzo niska, nieliniowość diody jest eliminowana przez ujemne sprzężenie zwrotne głębokości wzmacniacza operacyjnego, a każdy obwód może uzyskać dobry efekt prostowania.

2. Jeśli chcesz osiągnąć wyższą precyzję prostowania częstotliwości, obwód jednorurowy jest niedopuszczalny.

3. Nawet w przypadku obwodów z dwiema lampami szybkość narastania i szerokość pasma wzmacniacza operacyjnego poważnie wpłyną na dokładność prostowania przy wyższych częstotliwościach. Ten eksperyment daje empiryczną zależność pod pewnymi warunkami: jeśli płaskość sygnału wyjściowego ma wynosić 3 dB, szerokość pasma obwodu w pętli zamkniętej (nie GBW wzmacniacza operacyjnego) jest co najmniej trzy razy większa niż najwyższy sygnał częstotliwość. Ponieważ szerokość pasma obwodu zamkniętej pętli jest zawsze mniejsza lub równa GBW wzmacniacza operacyjnego, precyzyjne prostowanie sygnału wysokiej częstotliwości wymaga bardzo wysokiego GBW wzmacniacza operacyjnego.

Jest to również wymagane dla płaskości wyjściowej 3 dB. Jeśli wymagana jest większa płaskość wyjścia w paśmie sygnału wejściowego, odpowiedź częstotliwościowa wzmacniacza operacyjnego będzie wyższa.

Powyższe wyniki uzyskano tylko w specyficznych warunkach tego eksperymentu, a szybkość narastania wzmacniacza operacyjnego nie była brana pod uwagę, a szybkość narastania jest tutaj oczywiście bardzo ważnym czynnikiem. Dlatego też, czy ta relacja ma zastosowanie w innych warunkach, autor nie waży się oceniać. Jak wziąć pod uwagę szybkość narastania, jest również kolejnym pytaniem do omówienia.

Jednak w obwodzie precyzyjnego prostownika szerokość pasma wzmacniacza operacyjnego powinna być znacznie większa niż najwyższa częstotliwość sygnału.