Egy precíziós helyreigazítási kísérlet: 11 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Nemrégiben végeztem egy kísérletet egy precíziós egyenirányító áramkörön, és kaptam néhány durva következtetést. Tekintettel arra, hogy a precíziós egyenirányító áramkör közös áramkör, a kísérlet eredményei némi referencia információt nyújthatnak.

A kísérleti kör a következő. A műveleti erősítő AD8048, a fő paraméterek a következők: nagy 160MHz jel sávszélesség, 1000V / us fordulatszám. A dióda egy SD101, Schottky dióda, fordított helyreállítási ideje 1ns. Minden ellenállásértéket az AD8048 adatlap alapján kell meghatározni.

1. lépés:

A kísérlet első lépése: válassza le a D2 -t a fenti áramkörről, zárja rövidre a D1 -et, és érzékelje maga a műveleti erősítő nagy jelfrekvenciás válaszát. A bemeneti jel csúcsát 1 V körül tartják, a frekvenciát 1 MHz -ről 100 MHz -re változtatják, a bemeneti és kimeneti amplitúdókat oszcilloszkóppal mérik, és kiszámítják a feszültségnövekedést. Az eredmények a következők:

Az 1M és 100M közötti frekvenciatartományban a hullámformának nincs megfigyelhető jelentős torzulása.

A nyereség változásai a következők: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Látható, hogy ennek az erősítőnek a nagy jelű zárt hurkú 3 dB-es levágási frekvenciája valamivel több, mint 100 MHz. Ez az eredmény alapvetően összhangban van az AD8048 kézikönyvben megadott nagy jelfrekvencia -válasz görbével.

2. lépés:

A kísérlet második lépésében két SD101A diódát adtunk hozzá. A bemeneti jel amplitúdója 1 V -os csúcs körül marad a bemenet és a kimenet mérése közben. A kimeneti hullámforma megfigyelése után az oszcilloszkóp mérési funkciójával a bemeneti jel effektív értékét és a kimeneti jel periódusátlagát is mérik, és kiszámítják azok arányát. Az eredmények a következők (az adatok frekvencia, kimeneti átlag mV, bemeneti effektív mV, és ezek aránya: kimeneti átlag / bemeneti effektív érték):

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

Látható, hogy az áramkör alacsony frekvenciákon jó egyenirányítást képes elérni, de a frekvencia növekedésével a kiegyenlítési pontosság fokozatosan csökken. Ha a kimenet 100 kHz -en alapul, a kimenet 3 dB -rel csökkent körülbelül 30 MHz -en.

Az AD8048 op erősítő nagy jelű egység erősítési sávszélessége 160 MHz. Ennek az áramkörnek a zajnövekedése 2, tehát a zárt hurkú sávszélesség körülbelül 80 MHz (az előzőekben leírtak szerint a tényleges kísérleti eredmény valamivel nagyobb, mint 100 MHz). Az egyenirányított kimenet átlagos kimenete 3 dB-rel csökken, ami körülbelül 30 MHz, kevesebb, mint a vizsgált áramkör zárt hurkú sávszélességének egyharmada. Más szóval, ha olyan precíziós egyenirányító áramkört akarunk létrehozni, amelynek síkja kisebb, mint 3 dB, akkor az áramkör zárt hurkú sávszélességének legalább háromszor nagyobbnak kell lennie, mint a jel legmagasabb frekvenciája.

Az alábbiakban a teszt hullámforma látható. A sárga hullámforma a vi bemeneti terminál hullámformája, a kék hullámforma pedig a vo kimeneti terminál hullámalakja.

3. lépés:

A frekvencia növekedésével a jelidőszak egyre kisebb lesz, és a rés egyre nagyobb arányt képvisel.

4. lépés:

Figyelve az op erősítő kimenetét ebben az időben (vegye figyelembe, hogy ez nem vo) hullámforma, megállapítható, hogy az op erősítő kimeneti hullámalakja komoly torzításokkal rendelkezik a kimeneti nulla keresztezés előtt és után. Az alábbiakban az 1MHz és 10MHz frekvencián lévő op erősítő kimenetén található hullámformák láthatók.

5. lépés:

Az előző hullámforma összehasonlítható a push-pull kimeneti áramkör keresztirányú torzításával. Az alábbiakban intuitív magyarázatot adunk:

Ha a kimeneti feszültség magas, a dióda teljesen be van kapcsolva, ekkor lényegében rögzített csőfeszültség -csökkenés tapasztalható, és az op erősítő kimenete mindig egy diódával magasabb, mint a kimeneti feszültség. Ezen a ponton az op erősítő lineáris erősítési állapotban működik, így a kimeneti hullámforma jó fejléc.

Abban a pillanatban, amikor a kimeneti jel keresztezi a nullát, a két dióda közül az egyik elkezd áthaladni a vezetésről a határértékre, míg a másik átkapcsol a kikapcsolt állapotból a bekapcsolt állapotba. Ezen átmenet során a dióda impedanciája rendkívül nagy, és nyitott áramkörként közelíthető, így az op erősítő ebben az időben nem lineáris állapotban működik, hanem közel a nyitott hurokhoz. A bemeneti feszültség alatt az op erősítő a lehető legnagyobb sebességgel megváltoztatja a kimeneti feszültséget, hogy a diódát vezetésbe hozza. Az op erősítő fordulatszáma azonban korlátozott, és lehetetlen növelni a kimeneti feszültséget, hogy a dióda egy pillanat alatt bekapcsoljon. Ezenkívül a dióda átmeneti idővel rendelkezik ki -be vagy kikapcsolt állapotból. Tehát van egy rés a kimeneti feszültségben. A fenti op erősítő kimenetének hullámformájából látható, hogy a kimenet nulla keresztezésének működése hogyan "küzd" a kimeneti feszültség megváltoztatása érdekében. Egyes anyagok, beleértve a tankönyveket is, azt mondják, hogy az op erősítő mély negatív visszacsatolása miatt a dióda nemlinearitása az eredeti 1/AF -re csökken. Valójában azonban a kimeneti jel nulla kereszteződése közelében, mivel az op erősítő közel van a nyílt hurokhoz, az op erősítő negatív visszacsatolásának minden képlete érvénytelen, és a dióda nemlinearitását nem lehet elemezni negatív visszacsatolás elve.

Ha a jelfrekvenciát tovább növelik, nemcsak az elfordulási sebesség probléma, hanem maga az op erősítő frekvenciaválasza is romlik, így a kimeneti hullámforma meglehetősen rossz lesz. Az alábbi ábra a kimeneti hullámformát mutatja 50 MHz -es jelfrekvencián.

6. lépés:

Az előző kísérlet az AD8048 op erősítőn és az SD101 diódán alapult. Összehasonlításképpen egy kísérletet végeztem a készülék cseréjével.

Az eredmények a következők:

1. Cserélje ki az op erősítőt AD8047 -re. Az operációs erősítő nagy jelsávszélessége (130 MHz) valamivel alacsonyabb, mint az AD8048 (160 MHz), az elfordulási sebesség szintén alacsonyabb (750 V/us, 8048 1000 V/us), és a nyitott hurok erősítése körülbelül 1300, ami szintén alacsonyabb, mint a 8048 -as 2400.

A kísérleti eredmények (frekvencia, kimeneti átlag, bemeneti effektív érték és a kettő aránya) a következők:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Látható, hogy a 3dB csillapítása kevesebb, mint egy kicsit 20MHz -en. Ennek az áramkörnek a zárt hurkú sávszélessége körülbelül 65 MHz, így a 3dB kimeneti átlagos csökkenése is kevesebb, mint az áramkör zárt hurkú sávszélességének egyharmada.

2. Cserélje ki az SD101 -et 2AP9 -re, 1N4148 -ra stb., De a végeredmények hasonlóak, nincs lényeges különbség, ezért itt nem ismétlem meg őket.

Van egy áramkör is, amely megnyitja a D2 -t az áramkörben, ahogy az alább látható.

7. lépés:

A fontos különbség közte és a két diódát használó áramkör között (a továbbiakban: duplacsöves áramkör) az, hogy a kétcsöves áramkörben a műveleti erősítő csak megközelítőleg nyitott hurkú állapotban van a jel nulla kereszteződése közelében, és ez az áramkör (a továbbiakban egycsöves áramkör) A középső művelet a jelperiódus felében teljesen nyitott hurkú állapotban van. Tehát a nemlinearitása határozottan sokkal komolyabb, mint a kétcsöves áramkör.

Az alábbiakban ennek az áramkörnek a kimeneti hullámformája látható:

A 100 kHz-es, hasonlóan a kétcsöves áramkörhöz, szintén rés van a dióda bekapcsolásakor. Az eredeti helyen néhány dudornak lennie kell. A bemeneti jelet közvetlenül két 200 ohmos ellenálláson keresztül továbbítják. Ez elkerülhető az áramkör kismértékű javításával. Ennek semmi köze azokhoz a problémákhoz, amelyeket alább tárgyalunk. Ez 1MHz.

8. lépés:

Ez a hullámforma egyértelműen különbözik a kétcsöves áramkörtől. A kétcsöves áramkör késleltetése körülbelül 40 ns ezen a frekvencián, és ennek az egycsöves áramkörnek a késése 80 ns, és van csengés. Ennek az az oka, hogy az op erősítő teljesen nyitott hurkú, mielőtt bekapcsolja a diódát, és a kimenete közel van a negatív tápfeszültséghez, ezért egyes belső tranzisztorainak mély telítettségűnek vagy mély-kikapcsolt állapotban kell lenniük. Amikor a bemenet keresztezi a nullát, a "mély alvás" állapotban lévő tranzisztorok először "felébrednek", majd a kimeneti feszültséget a diódára emelik fordulatszámmal.

Alacsonyabb frekvenciákon a bemeneti jel emelkedési sebessége nem magas, ezért ezen folyamatok hatásai nem jelennek meg (mint a fenti 100k esetében), és miután a frekvencia magas, a bemeneti jelsebesség nagy, így "felébresztve" a tranzisztort. A gerjesztési feszültség vagy áram nő, ami csengetést okoz.

9. lépés:

5MHz. Ezen a frekvencián alapvetően nincs javítás.

10. lépés: Következtetés

A fenti kísérletek alapján a következő következtetéseket lehet levonni:

1. Amikor a frekvencia nagyon alacsony, a dióda nemlinearitását kiküszöböli az op amp mélység negatív visszacsatolása, és bármely áramkör jó egyenirányítási hatást érhet el.

2. ha nagyobb frekvenciájú precíziós egyenirányítást szeretne elérni, az egycsöves áramkör nem elfogadható.

3. még a kétcsöves áramkörök esetén is az op erősítő fordulatszáma és sávszélessége komolyan befolyásolja az egyenirányítási pontosságot magasabb frekvenciákon. Ez a kísérlet bizonyos körülmények között empirikus összefüggést eredményez: ha a kimenet síkosságát 3 dB-re kell állítani, akkor az áramkör zárt hurkú sávszélessége (nem az op erősítő GBW) legalább háromszor nagyobb, mint a legmagasabb jel frekvencia. Mivel az áramkör zárt hurkú sávszélessége mindig kisebb vagy egyenlő az op erősítő GBW-jével, a nagyfrekvenciás jel pontos kiegyenlítése nagyon magas GBW op erősítőt igényel.

Ez a 3 dB kimeneti síkosság követelménye is. Ha a bemeneti jelsávban nagyobb kimeneti síkosságra van szükség, az op erősítő frekvenciaválasza magasabb lesz.

A fenti eredményeket csak ennek a kísérletnek a sajátos körülményei között szereztük be, és nem vettük figyelembe a műveleti erősítő fordulatszámát, és nyilvánvalóan nagyon fontos tényező a fordulatszám. Ezért azt, hogy ez a kapcsolat alkalmazható -e más feltételek mellett, a szerző nem meri megítélni. A megvitatandó kérdés az is, hogyan kell figyelembe venni az elpusztulási arányt.

A precíziós egyenirányító áramkörben azonban az op erősítő sávszélességének sokkal nagyobbnak kell lennie, mint a jel legmagasabb frekvenciája.