Un experiment de rectificare de precizie: 11 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Recent am făcut un experiment pe un circuit de rectificare de precizie și am obținut câteva concluzii grosolane. Având în vedere că circuitul redresor de precizie este un circuit comun, rezultatele acestui experiment pot oferi câteva informații de referință.

Circuitul experimental este după cum urmează. Amplificatorul operațional este AD8048, parametrii principali sunt: lățime de bandă mare a semnalului de 160 MHz, rată de rotire de 1000 V / us. Dioda este o diodă Schottky SD101 cu un timp de recuperare inversă de 1ns. Toate valorile rezistenței sunt determinate prin referire la fișa tehnică AD8048.

Pasul 1:

Primul pas al experimentului: deconectați D2 în circuitul de mai sus, scurtcircuitați D1 și detectați răspunsul de frecvență al semnalului mare al amplificatorului operațional în sine. Vârful semnalului de intrare este menținut la aproximativ 1 V, frecvența este schimbată de la 1 MHz la 100 MHz, amplitudinile de intrare și ieșire sunt măsurate cu un osciloscop și se calculează câștigul de tensiune. Rezultatele sunt după cum urmează:

În intervalul de frecvență de la 1M la 100M, forma de undă nu are distorsiuni semnificative observabile.

Modificările câștigului sunt după cum urmează: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Se poate observa că frecvența de întrerupere a semnalului de 3 dB în buclă închisă a acestui amplificator operațional este de aproximativ puțin mai mult de 100 MHz. Acest rezultat este în linie cu curba mare de răspuns de frecvență a semnalului dată în manualul AD8048.

Pasul 2:

În a doua etapă a experimentului, s-au adăugat două diode SD101A. Amplitudinea semnalului de intrare rămâne la aproximativ 1V de vârf în timp ce măsoară intrarea și ieșirea. După observarea formei de undă de ieșire, funcția de măsurare a osciloscopului este de asemenea utilizată pentru a măsura valoarea efectivă a semnalului de intrare și media perioadei semnalului de ieșire și pentru a calcula raportul acestora. Rezultatele sunt după cum urmează (datele sunt frecvența, media de ieșire mV, rms de intrare mV și raportul lor: medie de ieșire / rms de intrare):

100kHz, 306, 673, 0,45

1 MHz, 305, 686, 0,44

5 MHz, 301, 679, 0,44

10MHz, 285, 682, 0,42

20MHz, 253, 694, 0,36

30MHz, 221, 692, 0,32

50MHz, 159, 690, 0,23

80 MHz, 123, 702, 0,18

100MHz, 80, 710, 0,11

Se poate observa că circuitul poate realiza o rectificare bună la frecvențe joase, dar pe măsură ce crește frecvența, precizia rectificării scade treptat. Dacă ieșirea se bazează pe 100 kHz, ieșirea a scăzut cu 3 dB la aproximativ 30 MHz.

Lățimea de bandă a câștigului unității de semnal mare a amplificatorului opțional AD8048 este de 160 MHz. Câștigul de zgomot al acestui circuit este de 2, deci lățimea de bandă în buclă închisă este de aproximativ 80MHz (descris anterior, rezultatul experimental real este puțin mai mare de 100MHz). Ieșirea medie a ieșirii rectificate scade cu 3 dB, care este de aproximativ 30 MHz, mai puțin de o treime din lățimea de bandă în buclă închisă a circuitului supus testului. Cu alte cuvinte, dacă vrem să realizăm un circuit de redresare de precizie cu o planeitate mai mică de 3dB, lățimea de bandă în circuit închis ar trebui să fie de cel puțin trei ori mai mare decât cea mai mare frecvență a semnalului.

Mai jos este forma de undă de testare. Forma de undă galbenă este forma de undă a terminalului de intrare vi, iar forma de undă albastră este forma de undă a terminalului de ieșire vo.

Pasul 3:

Pe măsură ce frecvența crește, perioada de semnal devine din ce în ce mai mică, iar decalajul reprezintă o proporție tot mai mare.

Pasul 4:

Observând ieșirea amplificatorului op în acest moment (rețineți că nu este vo) forma de undă, se poate constata că forma de undă de ieșire a amplificatorului op are o distorsiune severă înainte și după trecerea zero de ieșire. Mai jos sunt formele de undă la ieșirea amplificatorului op la 1MHz și 10MHz.

Pasul 5:

Forma de undă anterioară poate fi comparată cu distorsiunea încrucișată în circuitul de ieșire push-pull. O explicație intuitivă este dată mai jos:

Când tensiunea de ieșire este mare, dioda este complet pornită, moment în care are o cădere de tensiune a tubului substanțial fixă, iar ieșirea amplificatorului op este întotdeauna cu o diodă mai mare decât tensiunea de ieșire. În acest moment, amplificatorul operațional funcționează într-o stare de amplificare liniară, astfel încât forma de undă de ieșire este o undă bună de antet.

În momentul în care semnalul de ieșire trece de zero, una dintre cele două diode începe să treacă de la conducere la întrerupere, în timp ce cealaltă trece de la oprit la pornit. În timpul acestei tranziții, impedanța diodei este extrem de mare și poate fi aproximată ca un circuit deschis, astfel încât amplificatorul op în acest moment nu funcționează într-o stare liniară, ci aproape de bucla deschisă. Sub tensiunea de intrare, amplificatorul operațional va modifica tensiunea de ieșire la rata maximă posibilă pentru a aduce dioda în conducție. Cu toate acestea, rata de rotire a amplificatorului operațional este limitată și este imposibil să creșteți tensiunea de ieșire pentru a face dioda să se aprindă într-o clipă. În plus, dioda are un timp de tranziție de la pornit la oprit sau de la oprit la pornit. Deci, există un decalaj în tensiunea de ieșire. Din forma de undă a ieșirii amplificatorului operațional de mai sus, se poate vedea cum funcționează trecerea zero a ieșirii "luptându-se" într-o încercare de a modifica tensiunea de ieșire. Unele materiale, inclusiv manuale, spun că, datorită feedback-ului negativ profund al amplificatorului de operare, neliniaritatea diodei este redusă la 1 / AF original. Cu toate acestea, de fapt, aproape de trecerea zero a semnalului de ieșire, deoarece amplificatorul op este aproape de bucla deschisă, toate formulele pentru feedback-ul negativ al amplificatorului op sunt nevalide, iar neliniaritatea diodei nu poate fi analizată de principiul feedback-ului negativ.

Dacă frecvența semnalului crește și mai mult, nu numai că este o problemă a vitezei de rotire, dar și răspunsul în frecvență al amplificatorului operațional este degradat, astfel încât forma de undă de ieșire devine destul de proastă. Figura de mai jos arată forma de undă de ieșire la o frecvență a semnalului de 50 MHz.

Pasul 6:

Experimentul anterior s-a bazat pe amplificatorul op AD8048 și dioda SD101. Pentru comparație, am făcut un experiment pentru a înlocui dispozitivul.

Rezultatele sunt după cum urmează:

1. Înlocuiți amplificatorul operațional cu AD8047. Lățimea de bandă mare a semnalului amplificatorului (130MHz) este puțin mai mică decât AD8048 (160MHz), rata de rotire este, de asemenea, mai mică (750V / us, 8048 este 1000V / us), iar câștigul în buclă deschisă este de aproximativ 1300, ceea ce este, de asemenea, mai mic decât 8048's 2400..

Rezultatele experimentale (frecvența, media de ieșire, intrarea efectivă și raportul celor două) sunt după cum urmează:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Se poate observa că atenuarea sa 3DB este mai mică decât puțin la 20MHz. Lățimea de bandă în buclă închisă a acestui circuit este de aproximativ 65MHz, deci scăderea medie a ieșirii de 3dB este, de asemenea, mai mică de o treime din lățimea de bandă în buclă închisă a circuitului.

2. Înlocuiți SD101 cu 2AP9, 1N4148 etc., dar rezultatele finale sunt similare, nu există nicio diferență substanțială, așa că nu le voi repeta aici.

Există, de asemenea, un circuit care deschide D2 în circuit așa cum se arată mai jos.

Pasul 7:

Diferența importantă dintre acesta și circuitul utilizând două diode (denumit în continuare circuitul cu dublu tub) este că în circuitul cu dublu tub, amplificatorul operațional se află doar într-o stare aproximativ în buclă deschisă, aproape de trecerea zero a semnalului., și acest circuit (denumit în continuare un circuit cu un singur tub) Operațiunea din mijloc este într-o stare complet deschisă a buclei pentru jumătate din perioada de semnal. Deci neliniaritatea sa este cu siguranță mult mai gravă decât circuitul cu dublu tub.

Mai jos este forma de undă de ieșire a acestui circuit:

100kHz, similar cu un circuit cu două tuburi, are și un spațiu când dioda este pornită. Ar trebui să existe niște denivelări în locul original. Semnalul de intrare este transmis direct prin două rezistențe de 200 ohmi. Poate fi evitat îmbunătățind ușor circuitul. Nu are nicio legătură cu problemele pe care le vom discuta mai jos. Este de 1MHz.

Pasul 8:

Această formă de undă este clar diferită de circuitul cu dublu tub. Circuitul cu dublu tub are o întârziere de aproximativ 40 ns la această frecvență, iar întârzierea acestui circuit cu un singur tub este de 80 ns și sună. Motivul este că amplificatorul de operare este complet deschis înainte ca dioda să fie pornită, iar ieșirea sa este aproape de tensiunea de alimentare negativă, astfel încât unii dintre tranzistoarele sale interne trebuie să fie în stare de saturație profundă sau profundă. Când intrarea trece de zero, tranzistoarele care se află în starea de "somn profund" sunt mai întâi "trezite", iar apoi tensiunea de ieșire este ridicată la diodă la viteza de rotire.

La frecvențe mai mici, rata de creștere a semnalului de intrare nu este mare, astfel încât efectele acestor procese nu sunt afișate (cum este cazul cu 100k mai sus), iar după frecvența ridicată, rata semnalului la intrare este mare, astfel „trezind” tranzistorul. Tensiunea sau curentul de excitație va crește, ceea ce provoacă sunete.

Pasul 9:

5MHz. Practic nu există nicio rectificare la această frecvență.

Pasul 10: Concluzie

Pe baza experimentelor de mai sus, se pot trage următoarele concluzii:

1. Când frecvența este foarte scăzută, neliniaritatea diodei este eliminată de feedback-ul negativ al adâncimii amplificatorului operațional și orice circuit poate obține un efect de rectificare bun.

2. dacă doriți să realizați o rectificare de precizie cu frecvență mai mare, circuitul cu un singur tub nu este acceptabil.

3. chiar și în cazul circuitelor cu două tuburi, viteza de rotire și lățimea de bandă a amplificatorului de operare vor afecta grav precizia de rectificare la frecvențe mai mari. Acest experiment produce o relație empirică în anumite condiții: dacă este necesar ca planitatea ieșirii să fie de 3 dB, lățimea de bandă a circuitului închis (nu GBW-ul amplificatorului op) este de cel puțin trei ori mai mare decât semnalul cel mai mare frecvență. Deoarece lățimea de bandă în circuit închis a circuitului este întotdeauna mai mică sau egală cu GBW-ul amplificatorului op, rectificarea de precizie a semnalului de înaltă frecvență necesită un amplificator op GBW foarte mare.

Aceasta este, de asemenea, o cerință pentru o planeitate de ieșire de 3 dB. Dacă este necesară o planeitate de ieșire mai mare în banda de semnal de intrare, răspunsul de frecvență al amplificatorului operațional va fi mai mare.

Rezultatele de mai sus au fost obținute numai în condițiile specifice ale acestui experiment, iar rata de rotire a amplificatorului operațional nu a fost luată în considerare, iar rata de rotire este evident un factor foarte important aici. Prin urmare, dacă această relație este aplicabilă în alte condiții, autorul nu îndrăznește să judece. Cum să luați în considerare rata de rotație este, de asemenea, următoarea întrebare care va fi discutată.

Cu toate acestea, în circuitul de rectificare de precizie, lățimea de bandă a amplificatorului op ar trebui să fie mult mai mare decât cea mai mare frecvență a semnalului.