Experiment s presnou nápravou: 11 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Nedávno som vykonal experiment na obvode presnej nápravy a dospel som k hrubým záverom. Vzhľadom na to, že obvod presného usmerňovača je bežný obvod, výsledky tohto experimentu môžu poskytnúť určité referenčné informácie.

Experimentálny obvod je nasledujúci. Operačný zosilňovač je AD8048, hlavné parametre sú: veľká šírka pásma signálu 160 MHz, rýchlosť prebehu 1 000 V / us. Dióda je dióda Schottky SD101 s dobou spätného zotavenia 1ns. Všetky hodnoty odporu sú určené odkazom na dátový list AD8048.

Krok 1:

Prvý krok experimentu: odpojte D2 vo vyššie uvedenom obvode, skratujte obvod D1 a detegujte veľkú frekvenčnú odozvu samotného operačného zosilňovača. Špička vstupného signálu sa udržuje na približne 1 V, frekvencia sa mení z 1 MHz na 100 MHz, vstupné a výstupné amplitúdy sa merajú osciloskopom a vypočítava sa zosilnenie napätia. Výsledky sú nasledujúce:

Vo frekvenčnom rozsahu 1M až 100M nemá priebeh vlny žiadne pozorovateľné významné skreslenie.

Zmeny zisku sú nasledujúce: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Je zrejmé, že medzný kmitočet veľkého signálu 3 dB v uzavretej slučke tohto operačného zosilňovača je o niečo viac ako 100 MHz. Tento výsledok je v zásade v súlade s veľkou krivkou frekvenčnej odozvy signálu uvedenou v príručke AD8048.

Krok 2:

V druhom kroku experimentu boli pridané dve diódy SD101A. Pri meraní vstupu a výstupu zostáva amplitúda vstupného signálu na špičke približne 1V. Po pozorovaní výstupného tvaru vlny sa funkcia merania osciloskopu používa aj na meranie efektívnej hodnoty vstupného signálu a dobového priemeru výstupného signálu a na výpočet ich pomeru. Výsledky sú nasledujúce (údaje sú frekvencia, výstupný priemer mV, vstupná efektívna hodnota mV a ich pomer: výstupný priemer / vstupná efektívna hodnota):

100 kHz, 306, 673, 0,45

1 MHz, 305, 686, 0,44

5 MHz, 301, 679, 0,44

10 MHz, 285, 682, 0,42

20 MHz, 253, 694, 0,36

30 MHz, 221, 692, 0,32

50 MHz, 159, 690, 0,23

80 MHz, 123, 702, 0,18

100 MHz, 80, 710, 0,11

Je vidieť, že obvod môže dosiahnuť dobrú rektifikáciu pri nízkych frekvenciách, ale ako sa frekvencia zvyšuje, presnosť rektifikácie sa postupne znižuje. Ak je výstup založený na 100 kHz, výstup klesol o 3 dB pri približne 30 MHz.

Šírka pásma zosilnenia jednoty veľkého signálu operačného zosilňovača AD8048 je 160 MHz. Zisk šumu tohto obvodu je 2, takže šírka pásma uzavretej slučky je asi 80 MHz (popísané vyššie, skutočný experimentálny výsledok je o niečo väčší ako 100 MHz). Priemerný výkon rektifikovaného výstupu klesá o 3 dB, čo je približne 30 MHz, teda menej ako tretina šírky pásma testovaného obvodu v uzavretej slučke. Inými slovami, ak chceme vytvoriť presný usmerňovací obvod s plochosťou menšou ako 3dB, šírka pásma obvodu v uzavretej slučke by mala byť najmenej trikrát väčšia ako najvyššia frekvencia signálu.

Nasleduje testovací priebeh. Žltý tvar vlny je priebeh vstupného terminálu vi a modrý priebeh vlny výstupného terminálu vo.

Krok 3:

Ako sa frekvencia zvyšuje, perióda signálu je stále menšia a medzera predstavuje stále väčšiu časť.

Krok 4:

Pri sledovaní výstupu operačného zosilňovača v tomto čase (všimnite si, že to nie je vo) priebeh vlny je možné zistiť, že výstupný priebeh operačného zosilňovača má vážne skreslenie pred a po prechode výstupnej nuly. Nasledujú priebehy na výstupe operačného zosilňovača pri 1 MHz a 10 MHz.

Krok 5:

Predchádzajúci priebeh je možné porovnať s krížovým skreslením vo výstupnom obvode push-pull. Intuitívne vysvetlenie je uvedené nižšie:

Keď je výstupné napätie vysoké, dióda je úplne zapnutá, v tomto bode má v podstate pevný pokles napätia trubice a výstup operačného zosilňovača je vždy o jednu diódu vyšší ako výstupné napätie. V tomto mieste operačný zosilňovač pracuje v stave lineárneho zosilnenia, takže výstupný priebeh je dobrá hlavičková vlna.

V okamihu, keď výstupný signál prekročí nulu, jedna z dvoch diód začne prechádzať z vedenia do prerušenia, zatiaľ čo ostatné prechádzajú z vypnutého do zapnutého stavu. Počas tohto prechodu je impedancia diódy extrémne veľká a dá sa aproximovať ako otvorený obvod, takže operačný zosilňovač v tomto čase nefunguje v lineárnom stave, ale v blízkosti otvorenej slučky. Pod vstupným napätím operačný zosilňovač zmení výstupné napätie na maximálnu možnú rýchlosť, aby sa dióda dostala do vodivosti. Rýchlosť prezerania operačného zosilňovača je však obmedzená a nie je možné zvýšiť výstupné napätie, aby sa dióda v okamihu zapla. Dióda má navyše prechodový čas zo zapnutia na vypnutie alebo z vypnutia na zapnutie. Existuje teda medzera vo výstupnom napätí. Z priebehu vlny výstupu operačného zosilňovača vyššie je vidieť, ako operácia prechodu nuly výstupu „zápasí“pri pokuse o zmenu výstupného napätia. Niektoré materiály, vrátane učebníc, uvádzajú, že v dôsledku hlbokej negatívnej spätnej väzby operačného zosilňovača je nelinearita diódy znížená na pôvodný 1/AF. V skutočnosti však v blízkosti nulového prechodu výstupného signálu, pretože operačný zosilňovač je blízko otvorenej slučky, sú všetky vzorce pre negatívnu spätnú väzbu operačného zosilňovača neplatné a nelinearitu diódy nemožno analyzovať zásada negatívnej spätnej väzby.

Ak sa frekvencia signálu ďalej zvýši, nie je to len problém rýchlosti otáčania, ale zníži sa aj frekvenčná odozva samotného operačného zosilňovača, takže výstupný priebeh je dosť zlý. Nasledujúci obrázok zobrazuje výstupný priebeh vlny pri frekvencii signálu 50 MHz.

Krok 6:

Predchádzajúci experiment bol založený na operačnom zosilňovači AD8048 a dióde SD101. Na porovnanie som urobil experiment na výmenu zariadenia.

Výsledky sú nasledujúce:

1. Vymeňte operačný zosilňovač za AD8047. Veľká šírka pásma operačného zosilňovača (130 MHz) je o niečo nižšia ako AD8048 (160 MHz), rýchlosť prechodu je tiež nižšia (750 V/us, 8048 je 1 000 V/us) a zosilnenie v otvorenej slučke je približne 1 300, čo je tiež nižšia ako v 8048 -tych 2400. …

Experimentálne výsledky (frekvencia, priemer výstupu, vstupná efektivní hodnota a pomer týchto dvoch) sú nasledujúce:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30 M, 152, 715, 0,21

Je vidieť, že jeho útlm 3dB je pri 20 MHz menší ako niečo málo. Šírka pásma uzavretého obvodu tohto obvodu je asi 65 MHz, takže priemerný výstupný pokles o 3dB je tiež menší ako tretina šírky pásma obvodu.

2. Vymeňte SD101 za 2AP9, 1N4148 atď., Ale konečné výsledky sú podobné, neexistuje žiadny zásadný rozdiel, takže ich tu nebudem opakovať.

Existuje tiež obvod, ktorý otvára D2 v obvode, ako je to znázornené nižšie.

Krok 7:

Dôležitým rozdielom medzi ním a obvodom používajúcim dve diódy (ďalej len obvod s dvoma trubicami) je, že v obvode s dvoma trubicami je operačný zosilňovač iba v stave približne otvorenej slučky v blízkosti nulového prechodu signálu, a tento obvod (ďalej len jednovrstvový obvod) Operácia v strede je v polovičnej perióde signálu v stave úplne otvorenej slučky. Jeho nelinearita je teda rozhodne oveľa vážnejšia ako dvojrúrový obvod.

Nasleduje výstupný priebeh tohto obvodu:

100kHz, podobne ako dvojtrubicový obvod, má tiež medzeru pri zapnutí diódy. Na pôvodnom mieste by mali byť nejaké hrbole. Vstupný signál je priamo prenášaný cez dva 200 ohmové odpory. Dá sa tomu vyhnúť miernym vylepšením obvodu. Nemá to nič spoločné s problémami, o ktorých budeme diskutovať nižšie. Je to 1 MHz.

Krok 8:

Tento priebeh je jasne odlišný od obvodu s dvoma trubicami. Dvoj trubicový obvod má pri tejto frekvencii oneskorenie asi 40 ns a oneskorenie tohto jednorúrkového obvodu je 80 ns a dochádza k zvoneniu. Dôvodom je, že operačný zosilňovač je pred zapnutím diódy úplne otvorený a jeho výstup je blízky zápornému napájaciemu napätiu, takže niektoré jeho vnútorné tranzistory musia byť v stave hlbokého nasýtenia alebo hlbokého vypnutia. Keď vstup prekročí nulu, tranzistory, ktoré sú v stave „hlbokého spánku“, sa najskôr „prebudia“a potom sa výstupné napätie zvýši na diódu rýchlosťou otáčania.

Pri nižších frekvenciách nie je rýchlosť nárastu vstupného signálu vysoká, takže účinky týchto procesov nie sú znázornené (ako je to pri 100 k vyššie) a po vysokej frekvencii je rýchlosť signálu na vstupe veľká, čím „prebudí“tranzistor. Budiace napätie alebo prúd sa zvýši, čo spôsobí zvonenie.

Krok 9:

5 MHz. Pri tejto frekvencii v zásade nedochádza k náprave.

Krok 10: Záver

Na základe vyššie uvedených experimentov je možné vyvodiť nasledujúce závery:

1. Keď je frekvencia veľmi nízka, nelinearita diódy je eliminovaná negatívnou spätnou väzbou o hĺbke operačného zosilňovača a akýkoľvek obvod môže dosiahnuť dobrý rektifikačný efekt.

2. ak chcete dosiahnuť vyššiu frekvenčnú presnosť nápravy, jednorúrkový obvod nie je prijateľný.

3. dokonca aj pri dvojtrubičkových obvodoch rýchlosť prebehu a šírka pásma operačného zosilňovača vážne ovplyvní presnosť nápravy pri vyšších frekvenciách. Tento experiment poskytuje za určitých podmienok empirický vzťah: ak sa požaduje plochosť výstupu 3 dB, šírka pásma obvodu v uzavretej slučke (nie v GBW operačného zosilňovača) je najmenej trikrát väčšia ako najvyšší signál. frekvencia. Pretože šírka pásma obvodu v uzavretej slučke je vždy menšia alebo rovná GBW operačného zosilňovača, presná náprava vysokofrekvenčného signálu vyžaduje veľmi vysoký operačný zosilňovač GBW.

To je tiež požiadavka na výstupnú plochosť 3 dB. Ak je v pásme vstupného signálu požadovaná vyššia plochosť výstupu, frekvenčná odozva operačného zosilňovača bude vyššia.

Vyššie uvedené výsledky boli získané iba za špecifických podmienok tohto experimentu a rýchlosť prebehu operačného zosilňovača nebola braná do úvahy a rýchlosť prechodu je tu veľmi dôležitým faktorom. Autor si teda netrúfa posúdiť, či je tento vzťah uplatniteľný aj za iných podmienok. Ďalšou otázkou, o ktorej je potrebné diskutovať, je zváženie rýchlosti prechodu.

V obvode presnej rektifikácie by však mala byť šírka pásma operačného zosilňovača oveľa väčšia ako najvyššia frekvencia signálu.