Eksperiment preciznog ispravljanja: 11 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Nedavno sam napravio eksperiment na krugu preciznog ispravljanja i došao do nekih grubih zaključaka. S obzirom da je krug preciznog ispravljača uobičajen krug, rezultati ovog eksperimenta mogu pružiti neke referentne informacije.

Eksperimentalni krug je sljedeći. Operativno pojačalo je AD8048, glavni parametri su: velika propusnost signala od 160MHz, brzina nagiba 1000V / us. Dioda je SD101, Schottkyjeva dioda s obrnutim vremenom oporavka od 1ns. Sve vrijednosti otpornika određene su referencom na AD8048 podatkovnom listu.

Korak 1:

Prvi korak eksperimenta: odspojite D2 u gornjem krugu, kratki spoj D1 i detektirajte veliki frekvencijski odziv signala samog operacijskog pojačala. Vrh ulaznog signala održava se na oko 1 V, frekvencija se mijenja s 1 MHz na 100 MHz, amplitude ulaza i izlaza mjere se osciloskopom, te se izračunava napon. Rezultati su sljedeći:

U frekvencijskom rasponu od 1M do 100M valni oblik nema uočljivih značajnih izobličenja.

Promjene pojačanja su sljedeće: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Može se vidjeti da je granična frekvencija ovog op-amp pojačala velike duljine 3 dB zatvorenog kruga signala otprilike nešto više od 100 MHz. Ovaj rezultat je u osnovi u skladu s velikom krivuljom frekvencijskog odziva signala danom u priručniku AD8048.

Korak 2:

U drugom koraku pokusa dodane su dvije diode SD101A. Amplituda ulaznog signala ostaje na vrhu od 1V pri mjerenju ulaza i izlaza. Nakon promatranja izlaznog valnog oblika, mjerna funkcija osciloskopa također se koristi za mjerenje efektivne vrijednosti ulaznog signala i prosjeka perioda izlaznog signala, te izračunavanje njihovog omjera. Rezultati su sljedeći (podaci su frekvencija, srednja vrijednost izlaza mV, ulazna efektivna vrijednost mV i njihov omjer: izlazni prosjek / ulazna efektivna vrijednost):

100 kHz, 306, 673, 0,45

1MHz, 305, 686, 0,44

5MHz, 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

Može se vidjeti da krug može postići dobro ispravljanje na niskim frekvencijama, ali kako se frekvencija povećava, točnost ispravljanja postupno se smanjuje. Ako se izlaz temelji na 100 kHz, izlaz je pao za 3 dB na približno 30 MHz.

Propusnost pojačanja jedinstva velikog signala op-amp pojačala AD8048 iznosi 160MHz. Pojačanje šuma ovog kruga je 2, pa je širina pojasa zatvorene petlje oko 80 MHz (opisano ranije, stvarni eksperimentalni rezultat je nešto veći od 100 MHz). Prosječni izlaz ispravljenog izlaza pada za 3 dB, što je približno 30 MHz, manje od jedne trećine propusnosti zatvorene petlje u ispitivanom krugu. Drugim riječima, ako želimo napraviti precizni ispravljački krug s ravninom manjom od 3dB, propusnost zatvorenog kruga kruga trebala bi biti najmanje tri puta veća od najveće frekvencije signala.

Ispod je testni valni oblik. Žuti valni oblik je valni oblik ulaznog priključka vi, a plavi valni oblik valnog oblika izlaznog priključka vo.

3. korak:

Kako se frekvencija povećava, razdoblje signala postaje sve manje, a jaz čini sve veći udio.

Korak 4:

Promatrajući izlaz op -pojačala u ovom trenutku (imajte na umu da to nije vo) valnog oblika, može se ustanoviti da izlazni val op -pojačala ima ozbiljna izobličenja prije i nakon prelaska izlazne nule. Dolje su prikazani valni oblici na izlazu op pojačala na 1MHz i 10MHz.

5. korak:

Prethodni valni oblik može se usporediti s križanjem iskrivljenja u izlaznom krugu push-pull. Ispod je dato intuitivno objašnjenje:

Kad je izlazni napon visok, dioda se potpuno uključuje, u tom trenutku ima bitno stabilan pad napona u cijevi, a izlaz op -pojačala je uvijek za jednu diodu veći od izlaznog napona. U ovom trenutku, op pojačalo radi u stanju linearnog pojačanja, tako da je izlazni valni val dobar val zaglavlja.

U trenutku kada izlazni signal prijeđe nulu, jedna od dvije diode počinje prolaziti od vodljivosti do granične vrijednosti, dok druga prelazi s isključenog na uključeno. Tijekom ovog prijelaza, impedancija diode je izuzetno velika i može se aproksimirati kao otvoreni krug, pa op pojačalo u ovom trenutku ne radi u linearnom stanju, već blizu otvorene petlje. Pod ulaznim naponom, op pojačalo će promijeniti izlazni napon najvećom mogućom brzinom kako bi diodu dovelo u provodljivost. Međutim, brzina naprezanja op -pojačala je ograničena i nemoguće je povećati izlazni napon kako bi se dioda uključila u trenu. Osim toga, dioda ima prijelazno vrijeme od uključivanja do isključivanja ili od isključivanja do uključivanja. Dakle, postoji jaz u izlaznom naponu. Iz gornjeg valnog oblika izlaza op-pojačala može se vidjeti kako se rad prelaska nule na izlazu "bori" u pokušaju promjene izlaznog napona. Neki materijali, uključujući udžbenike, kažu da je zbog duboke negativne povratne informacije op -pojačala nelinearnost diode svedena na izvorni 1/AF. Međutim, u stvari, blizu prijelaza nule izlaznog signala, budući da je op -pojačalo blizu otvorene petlje, sve formule za negativnu povratnu spregu op -pojačala su nevažeće, a nelinearnost diode ne može se analizirati pomoću princip negativne povratne sprege.

Ako se frekvencija signala dodatno poveća, ne samo da je problem problem brzine porasta, već se i frekvencijski odziv op -pojačala također pogoršava, pa izlazni valni oblik postaje prilično loš. Donja slika prikazuje izlazni valni val na frekvenciji signala od 50MHz.

Korak 6:

Prethodni eksperiment temeljio se na op amp AD8048 i diodi SD101. Za usporedbu, napravio sam pokus kako bih zamijenio uređaj.

Rezultati su sljedeći:

1. Zamijenite op pojačalo s AD8047. Velika propusnost signala op pojačala (130MHz) nešto je niža od AD8048 (160MHz), brzina nagiba je također niža (750V/us, 8048 je 1000V/us), a dobitak otvorene petlje je oko 1300, što je također niže od 8048 -ih 2400..

Eksperimentalni rezultati (frekvencija, prosjek izlaza, ulazni rms i omjer ova dva) su sljedeći:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20 M, 210, 712, 0,29

30 M, 152, 715, 0,21

Može se vidjeti da je njegovo 3dB slabljenje manje od nešto na 20MHz. Propusni opseg zatvorene petlje ovog kruga je oko 65MHz, pa je i prosječni izlazni pad 3dB manji od jedne trećine propusnosti zatvorenog kola petlje.

2. Zamijenite SD101 s 2AP9, 1N4148 itd., Ali konačni rezultati su slični, nema bitnih razlika pa ih ovdje neću ponavljati.

Postoji i krug koji otvara D2 u krugu kao što je prikazano u nastavku.

Korak 7:

Važna razlika između njega i kruga koji koristi dvije diode (u daljnjem tekstu dvocijevni krug) je u tome što je u dvocjevnom krugu operativno pojačalo samo u približno otvorenom stanju u blizini prijelaza nule signala, i ovaj krug (u daljnjem tekstu označen kao jednocjevni krug) Rad u sredini je u potpuno otvorenoj petlji za polovicu razdoblja signala. Stoga je njegova nelinearnost definitivno mnogo ozbiljnija od dvocijevnog kruga.

Ispod je izlazni valni oblik ovog kruga:

100 kHz, slično krugu s dvije cijevi, također ima prazninu kada je dioda uključena. Na izvornom mjestu trebalo bi biti neravnina. Ulazni signal izravno se prenosi kroz dva otpornika od 200 ohma. Može se izbjeći laganim poboljšanjem kruga. To nema veze s problemima o kojima ćemo govoriti u nastavku. To je 1MHz.

Korak 8:

Ovaj se valni oblik jasno razlikuje od kruga s dvije cijevi. Dvocijevni krug ima kašnjenje od oko 40 ns na ovoj frekvenciji, a kašnjenje ovog jednocjevnog kruga je 80 ns i dolazi do zvonjenja. Razlog je taj što je op pojačalo potpuno otvorene petlje prije uključivanja diode, a njegov izlaz je blizu negativnog napona napajanja, pa neki njegovi unutarnji tranzistori moraju biti u dubokom zasićenju ili u dubokom stanju. Kad ulaz pređe nulu, tranzistori koji su u stanju "dubokog sna" prvo se "probude", a zatim se izlazni napon povisi na diodu brzinom zastoja.

Na nižim frekvencijama brzina porasta ulaznog signala nije velika, pa se učinci ovih procesa ne prikazuju (kao što je slučaj sa 100k gore), a nakon što je frekvencija velika, brzina signala na ulazu je velika, čime je "probuđen" tranzistor. Uzbudni napon ili struja će se povećati, što uzrokuje zvonjenje.

Korak 9:

5MHz. Na ovoj frekvenciji u osnovi nema ispravljanja.

Korak 10: Zaključak

Na temelju gornjih pokusa mogu se izvući sljedeći zaključci:

1. Kad je frekvencija vrlo niska, nelinearnost diode eliminira se negativnom povratnom spregom dubine op pojačala, a bilo koji krug može dobiti dobar učinak ispravljanja.

2. ako želite postići preciznije ispravljanje frekvencije, jednocijevni krug nije prihvatljiv.

3. čak i sa dvocjevnim krugovima, brzina naprezanja i propusnost op pojačala ozbiljno će utjecati na točnost ispravljanja na višim frekvencijama. Ovaj eksperiment daje empirijski odnos pod određenim uvjetima: ako je potrebno da ravnost izlaza bude 3 dB, širina pojasa zatvorene petlje kruga (ne GBW op-pojačala) je najmanje tri puta veća od najvišeg signala frekvencija. Budući da je propusnost kruga zatvorene petlje uvijek manja ili jednaka GBW op-pojačala, precizno ispravljanje visokofrekventnog signala zahtijeva vrlo veliko GBW op-pojačalo.

Ovo je također uvjet za ravnost izlaza od 3 dB. Ako je potrebna veća izravnanost izlaza u pojasu ulaznog signala, frekvencijski odziv op -pojačala bit će veći.

Gore navedeni rezultati dobiveni su samo pod posebnim uvjetima ovog eksperimenta, a brzina nagiba op -pojačala nije uzeta u obzir, a brzina nagiba je ovdje očito vrlo važan faktor. Stoga, je li ovaj odnos primjenjiv pod drugim uvjetima, autor se ne usuđuje suditi. Sljedeće pitanje o kojem će se raspravljati je kako uzeti u obzir stopu porasta.

Međutim, u krugu za precizno ispravljanje, propusnost op pojačala trebala bi biti mnogo veća od najveće frekvencije signala.