Эксперимент по прецизионному исправлению: 11 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Недавно я провел эксперимент над схемой прецизионного выпрямления и получил некоторые приблизительные выводы. Учитывая, что схема прецизионного выпрямителя является общей схемой, результаты этого эксперимента могут предоставить некоторую справочную информацию.

Схема эксперимента выглядит следующим образом. Операционный усилитель - AD8048, основные параметры: широкая полоса пропускания сигнала 160 МГц, скорость нарастания напряжения 1000 В / мкс. Это диод Шоттки SD101 с временем обратного восстановления 1 нс. Все значения резисторов определены в справочном листе AD8048.

Шаг 1:

Первый шаг эксперимента: отключите D2 в указанной выше цепи, закоротите D1 и обнаружите частотную характеристику большого сигнала самого операционного усилителя. Пик входного сигнала поддерживается на уровне около 1 В, частота изменяется с 1 МГц на 100 МГц, амплитуды входного и выходного сигнала измеряются с помощью осциллографа и рассчитывается коэффициент усиления по напряжению. Результаты приведены ниже:

В диапазоне частот от 1 до 100 МГц сигнал не имеет заметных значительных искажений.

Изменения усиления следующие: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Видно, что частота среза этого операционного усилителя с замкнутым контуром для больших сигналов по уровню 3 дБ составляет чуть более 100 МГц. Этот результат в основном соответствует кривой АЧХ для большого сигнала, приведенной в руководстве к AD8048.

Шаг 2:

На втором этапе эксперимента были добавлены два диода SD101A. Амплитуда входного сигнала остается на пике около 1 В при измерении входа и выхода. После наблюдения за формой выходного сигнала функция измерения осциллографа также используется для измерения эффективного значения входного сигнала и среднего периода выходного сигнала и вычисления их отношения. Результаты следующие (данные представляют собой частоту, среднее выходное значение мВ, действующее значение входного мВ и их соотношение: среднее выходное значение / входное среднеквадратичное значение):

100 кГц, 306, 673, 0,45

1 МГц, 305, 686, 0,44

5 МГц, 301, 679, 0,44

10 МГц, 285, 682, 0,42

20 МГц, 253, 694, 0,36

30 МГц, 221, 692, 0,32

50 МГц, 159, 690, 0,23

80 МГц, 123, 702, 0,18

100 МГц, 80, 710, 0,11

Видно, что схема может добиться хорошего выпрямления на низких частотах, но с увеличением частоты точность выпрямления постепенно снижается. Если выход основан на 100 кГц, выходной сигнал упал на 3 дБ примерно на 30 МГц.

Полоса пропускания с единичным усилением для больших сигналов операционного усилителя AD8048 составляет 160 МГц. Коэффициент усиления шума этой схемы равен 2, поэтому ширина полосы замкнутого контура составляет около 80 МГц (описанный ранее, фактический экспериментальный результат немного превышает 100 МГц). Средний выходной сигнал выпрямленного выхода падает на 3 дБ, что составляет примерно 30 МГц, что составляет менее одной трети полосы пропускания замкнутого контура тестируемой цепи. Другими словами, если мы хотим создать схему прецизионного выпрямителя с плоскостностью менее 3 дБ, ширина полосы замкнутого контура схемы должна быть как минимум в три раза выше, чем самая высокая частота сигнала.

Ниже представлена тестовая форма волны. Желтая форма волны - это форма волны входного терминала vi, а синяя форма волны - это форма волны выходного терминала vo.

Шаг 3:

По мере увеличения частоты период сигнала становится все меньше и меньше, и доля зазора увеличивается.

Шаг 4:

Наблюдая за выходным сигналом операционного усилителя в это время (обратите внимание, что это не vo), можно обнаружить, что выходной сигнал операционного усилителя имеет серьезные искажения до и после перехода через нулевой уровень на выходе. Ниже приведены формы сигналов на выходе операционного усилителя на частотах 1 МГц и 10 МГц.

Шаг 5:

Предыдущий сигнал можно сравнить с кроссоверным искажением в двухтактной выходной цепи. Ниже дано интуитивное объяснение:

Когда выходное напряжение высокое, диод полностью включен, и в этот момент он имеет практически фиксированное падение напряжения на лампе, а выход операционного усилителя всегда на один диод выше выходного напряжения. На этом этапе операционный усилитель работает в режиме линейного усиления, поэтому выходной сигнал является хорошим заголовком.

В момент, когда выходной сигнал пересекает ноль, один из двух диодов начинает переходить от проводимости к отсечке, а другой переходит от выключенного состояния к включенному. Во время этого перехода импеданс диода чрезвычайно велик и может быть аппроксимирован как разомкнутая цепь, поэтому операционный усилитель в это время не работает в линейном состоянии, а работает близко к разомкнутому контуру. Под входным напряжением операционный усилитель будет изменять выходное напряжение с максимально возможной скоростью, чтобы привести диод в состояние проводимости. Однако скорость нарастания операционного усилителя ограничена, и невозможно увеличить выходное напряжение, чтобы диод мгновенно включился. Кроме того, у диода есть время перехода из включенного в выключенное или из выключенного во включенное состояния. Значит, есть разрыв в выходном напряжении. Из формы сигнала на выходе операционного усилителя выше можно увидеть, как операция перехода через нуль выхода «борется» с попыткой изменить выходное напряжение. В некоторых материалах, в том числе в учебниках, говорится, что из-за глубокой отрицательной обратной связи операционного усилителя нелинейность диода снижается до исходной 1 / AF. Однако на самом деле, около нулевого перехода выходного сигнала, поскольку операционный усилитель находится близко к разомкнутому контуру, все формулы для отрицательной обратной связи операционного усилителя недействительны, и нелинейность диода не может быть проанализирована с помощью Принцип отрицательной обратной связи.

При дальнейшем увеличении частоты сигнала возникает не только проблема скорости нарастания напряжения, но и ухудшается частотная характеристика самого операционного усилителя, поэтому форма выходного сигнала становится довольно плохой. На рисунке ниже показана форма выходного сигнала при частоте сигнала 50 МГц.

Шаг 6:

Предыдущий эксперимент проводился на ОУ AD8048 и диоде SD101. Для сравнения проделал эксперимент по замене устройства.

Результаты приведены ниже:

1. Замените операционный усилитель на AD8047. Большая полоса пропускания сигнала операционного усилителя (130 МГц) немного ниже, чем у AD8048 (160 МГц), скорость нарастания также ниже (750 В / мкс, 8048 - 1000 В / мкс), а коэффициент усиления без обратной связи составляет около 1300, что также является ниже 2400 у 8048..

Экспериментальные результаты (частота, среднее выходное значение, среднеквадратичное значение входного сигнала и их соотношение) следующие:

1М, 320, 711, 0,45

10М, 280, 722, 0,39

20М, 210, 712, 0,29

30М, 152, 715, 0,21

Видно, что его ослабление на 3 дБ меньше, чем немного на частоте 20 МГц. Ширина полосы замкнутого контура этой схемы составляет около 65 МГц, поэтому среднее падение выходного сигнала на 3 дБ также составляет менее одной трети полосы пропускания замкнутого контура схемы.

2. Заменить SD101 на 2AP9, 1N4148 и т.д., но конечные результаты аналогичны, существенной разницы нет, поэтому я не буду их здесь повторять.

Существует также цепь, которая размыкает D2 в цепи, как показано ниже.

Шаг 7:

Важное различие между ним и схемой с использованием двух диодов (далее именуемой двухтрубной схемой) заключается в том, что в двухтрубной схеме операционный усилитель находится только в приблизительно разомкнутом состоянии вблизи точки перехода сигнала через нуль., и эта схема (далее именуемая одноламповой схемой) Операция в середине находится в состоянии полностью разомкнутого контура в течение половины периода сигнала. Так что его нелинейность определенно намного серьезнее, чем двухтрубная схема.

Ниже приведена форма выходного сигнала этой схемы:

100 кГц, как и в схеме с двумя лампами, также имеет зазор при включении диода. На исходном месте должны быть неровности. Входной сигнал напрямую передается через два резистора по 200 Ом. Избежать этого можно, немного улучшив схему. Это не имеет ничего общего с проблемами, которые мы обсудим ниже. Это 1 МГц.

Шаг 8:

Эта форма волны явно отличается от схемы с двумя лампами. Двухтрубная схема имеет задержку около 40 нс на этой частоте, а задержка этой одноламповой схемы составляет 80 нс, и есть звон. Причина в том, что операционный усилитель полностью разомкнут до включения диода, а его выход близок к отрицательному напряжению питания, поэтому некоторые из его внутренних транзисторов должны находиться в состоянии глубокого насыщения или глубокого выключения. Когда входной сигнал пересекает ноль, транзисторы, находящиеся в состоянии «глубокого сна», сначала «просыпаются», а затем выходное напряжение повышается на диоде со скоростью нарастания.

На более низких частотах скорость нарастания входного сигнала невысока, поэтому эффекты этих процессов не показаны (как в случае с 100k выше), а после высокой частоты скорость сигнала на входе большая., таким образом «разбудив» транзистор. Напряжение или ток возбуждения увеличиваются, что вызывает звон.

Шаг 9:

5 МГц. На этой частоте выпрямления практически нет.

Шаг 10: Заключение

На основании проведенных выше экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Когда частота очень низкая, нелинейность диода устраняется отрицательной обратной связью глубины операционного усилителя, и любая схема может получить хороший эффект выпрямления.

2. Если вы хотите добиться более высокой точности выпрямления частоты, однотрубная схема неприемлема.

3. Даже в двухтрубных схемах скорость нарастания и полоса пропускания операционного усилителя серьезно влияют на точность выпрямления на более высоких частотах. Этот эксперимент дает эмпирическую зависимость при определенных условиях: если требуется, чтобы равномерность выхода составляла 3 дБ, ширина полосы замкнутого контура схемы (не полная ширина полосы ОУ) по крайней мере в три раза больше, чем самый высокий сигнал. частота. Поскольку полоса пропускания с обратной связью схемы всегда меньше или равна GBW операционного усилителя, для прецизионного выпрямления высокочастотного сигнала требуется операционный усилитель с очень большой GBW.

Это также требование для равномерности выходного сигнала 3 дБ. Если в полосе входного сигнала требуется более высокая равномерность выходного сигнала, частотная характеристика операционного усилителя будет выше.

Приведенные выше результаты были получены только в особых условиях этого эксперимента, и скорость нарастания ОУ не учитывалась, и скорость нарастания, очевидно, является здесь очень важным фактором. Поэтому, применима ли эта связь при других условиях, автор судить не решается. Следующий вопрос, который предстоит обсудить, - как учитывать скорость нарастания напряжения.

Однако в схеме прецизионного выпрямления полоса пропускания операционного усилителя должна быть намного больше, чем самая высокая частота сигнала.