Eksperiment preciznog ispravljanja: 11 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Nedavno sam napravio eksperiment na krugu preciznog ispravljanja i došao do nekih grubih zaključaka. S obzirom na to 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 upućivanjem na podatkovnu tablicu AD8048.

Korak 1:

Prvi korak eksperimenta: isključite D2 u gore navedenom kolu, kratki spoj D1 i otkrijte veliki frekvencijski odziv signala samog operativnog 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 i izračunava se pojačanje napona. Rezultati su sljedeći:

U frekvencijskom rasponu od 1M do 100M, valni oblik nema vidljivih 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 pojačala sa zatvorenim krugom od 3 dB velikog signala oko 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 eksperimenta 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 se također koristi za mjerenje efektivne vrijednosti ulaznog signala i prosjeka perioda izlaznog signala, te izračunavanje njihovog omjera. Rezultati su sljedeći (podaci su frekvencija, izlazna srednja vrijednost mV, ulazna efektivna vrijednost mV i njihov omjer: izlazna prosječna vrijednost / ulazna efektivna vrijednost):

100kHz, 306, 673, 0.45

1MHz, 305, 686, 0.44

5MHz, 301, 679, 0.44

10MHz, 285, 682, 0.42

20MHz, 253, 694, 0.36

30MHz, 221, 692, 0.32

50MHz, 159, 690, 0.23

80MHz, 123, 702, 0.18

100MHz, 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.

Opseg pojačanja jedinstva velikog signala za AD8048 op pojačalo je 160MHz. Pojačanje šuma ovog kruga je 2, pa je širina pojasa zatvorene petlje oko 80MHz (opisano ranije, stvarni eksperimentalni rezultat je nešto veći od 100MHz). Prosječni izlaz ispravljenog izlaza pada za 3 dB, što je približno 30 MHz, manje od jedne trećine propusnog opsega zatvorene petlje u ispitivanom krugu. Drugim riječima, ako želimo napraviti precizno ispravljačko kolo s ravninom manjom od 3dB, širina pojasa zatvorene petlje kruga trebala bi biti najmanje tri puta veća od najveće frekvencije signala.

Ispod se nalazi testni talasni oblik. Žuti talasni oblik je talasni oblik ulaznog terminala vi, a plavi talasni oblik je talasni oblik izlaznog terminala vo.

Korak 3:

Kako se frekvencija povećava, signalni period postaje sve manji, a jaz čini sve veći udio.

Korak 4:

Posmatrajući izlaz op -amp pojačala u ovom trenutku (imajte na umu da to nije vo) valnog oblika, može se otkriti da izlazni oblik op -pojačala ima ozbiljna izobličenja prije i nakon prelaska izlazne nule. Ispod su talasni oblici na izlazu op pojačala na 1MHz i 10MHz.

Korak 5:

Prethodni valni oblik se može uporediti 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 oblik dobar val zaglavlja.

U trenutku kada izlazni signal pređe nulu, jedna od dvije diode počinje prolaziti od provođenja do granične vrijednosti, dok druga prelazi iz isključenog u uključeno. Tijekom ovog prijelaza, impedancija diode je izuzetno velika i može se aproksimirati kao otvoreno kolo, tako da 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 da bi se dioda uključila u trenu. Osim toga, dioda ima prijelazno vrijeme od uključivanja do isključivanja ili od uključivanja 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 o pojačalu nelinearnost diode svedena na izvorni 1/AF. Međutim, u stvari, blizu prelaska 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 informacije.

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

Korak 6:

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

Rezultati su sljedeći:

1. Zamijenite op pojačalo s AD8047. Veliki propusni opseg signala operativnog pojačala (130MHz) nešto je niži 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, izlazni prosjek, ulazni rms i omjer ova dva) su sljedeći:

1M, 320, 711, 0.45

10M, 280, 722, 0.39

20M, 210, 712, 0.29

30M, 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 propusnog opsega zatvorenog kola.

2. Zamijenite SD101 sa 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 dvocijevno kolo) je u tome što je u dvocjevnom krugu operativno pojačalo samo u približno otvorenoj petlji u blizini nultog prijelaza signala, i ovo kolo (u daljem tekstu: jednocjevno kolo) Rad u sredini je u potpuno otvorenom stanju petlje za period 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. Trebalo bi da ima neravnina na originalnom mjestu. Ulazni signal se direktno prenosi putem dva otpornika od 200 ohma. To se može 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. Dvocijevno kolo ima kašnjenje od oko 40 ns na ovoj frekvenciji, a kašnjenje ovog jednocjevnog kola 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. Kada ulaz pređe nulu, tranzistori koji su u stanju "dubokog sna" prvo se "probude", a zatim se izlazni napon podiže na diodu brzinom zastoja.

Na nižim frekvencijama brzina porasta ulaznog signala nije velika, pa se efekti ovih procesa ne pokazuju (kao što je slučaj sa 100k iznad), a nakon što je frekvencija visoka, brzina signala na ulazu je velika, čime se "budi" 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 gore navedenih eksperimenata mogu se izvući sljedeći zaključci:

1. Kada je frekvencija vrlo niska, nelinearnost diode eliminira se negativnom povratnom spregom dubine op -pojačala, a bilo koji krug može postići dobar ispravljački učinak.

2. ako želite postići preciznije ispravljanje veće frekvencije, jednocijevno kolo nije prihvatljivo.

3. čak i sa dvocjevnim krugovima, brzina nagiba i širina pojasa 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 zatvorenog kola (ne GBW op-pojačala) je najmanje tri puta veća od najvišeg signala frekvencije. Budući da je propusni opseg zatvorenog kruga kruga uvijek manji ili jednak GBW op-pojačala, precizno ispravljanje visokofrekventnog signala zahtijeva vrlo veliko GBW op-pojačalo.

Ovo je takođe uslov za ravnost izlaza od 3 dB. Ako je potrebna veća izravnanost izlaza u opsegu ulaznog signala, frekvencijski odziv op -pojačala će biti 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 se autor ne usuđuje procijeniti je li ovaj odnos primjenjiv pod drugim uvjetima. Sljedeće pitanje o kojem će se raspravljati je kako uzeti u obzir stopu porasta.

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