Et eksperiment med præcisionsrettelse: 11 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Jeg har for nylig udført et eksperiment på et præcisionsretteringskredsløb og fik nogle grove konklusioner. I betragtning af at præcisionsretterkredsløbet er et fælles kredsløb, kan resultaterne af dette eksperiment give nogle referenceoplysninger.

Det eksperimentelle kredsløb er som følger. Den operationelle forstærker er AD8048, hovedparametrene er: stor signalbåndbredde på 160MHz, svinghastighed på 1000V / us. Dioden er en SD101, Schottky -diode med en omvendt genopretningstid på 1ns. Alle modstandsværdier bestemmes ved henvisning til AD8048 -databladet.

Trin 1:

Eksperimentets første trin: afbryd D2 i ovenstående kredsløb, kortslutning D1, og detekter den store signalfrekvensrespons af selve operationsforstærkeren. Inputsignaltoppen holdes på omkring 1V, frekvensen ændres fra 1MHz til 100MHz, input- og outputamplituderne måles med et oscilloskop, og spændingsforstærkningen beregnes. Resultaterne er som følger:

I frekvensområdet 1M til 100M har bølgeformen ingen observerbar signifikant forvrængning.

Forstærkningsændringerne er som følger: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Det kan ses, at den store signal lukkede sløjfe 3 dB afbrydelsesfrekvens for denne op-forstærker er cirka lidt mere end 100 MHz. Dette resultat er dybest set på linje med den store signalfrekvensresponskurve, der er angivet i AD8048 -manualen.

Trin 2:

I forsøgets andet trin blev to dioder SD101A tilføjet. Indgangssignalets amplitude forbliver på omkring 1V top, mens input og output måles. Efter at have observeret udgangsbølgeformen bruges oscilloskopets målefunktion også til at måle den effektive værdi af indgangssignalet og periodens gennemsnit af udgangssignalet og beregne deres forhold. Resultaterne er som følger (data er frekvens, output middelværdi mV, input rms mV og deres forhold: output gennemsnit / input rms):

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

Det ses, at kredsløbet kan opnå god udbedring ved lave frekvenser, men efterhånden som frekvensen stiger, falder udbedringsnøjagtigheden gradvist. Hvis output er baseret på 100 kHz, er output faldet med 3 dB ved cirka 30 MHz.

Enhedens forstærkningsbåndbredde med stort signal for AD8048 op-forstærkeren er 160 MHz. Støjforstærkningen for dette kredsløb er 2, så båndbredden med lukket sløjfe er omkring 80MHz (beskrevet tidligere, det faktiske eksperimentelle resultat er lidt større end 100MHz). Gennemsnitsudgangen for den udbedrede udgang falder med 3 dB, hvilket er cirka 30 MHz, mindre end en tredjedel af den lukkede båndbredde i det testede kredsløb. Med andre ord, hvis vi vil lave et præcisions-ensretterkredsløb med en planhed på mindre end 3dB, bør kredsløbets lukkede båndbredde være mindst tre gange højere end signalets højeste frekvens.

Nedenfor er testbølgeformen. Den gule bølgeform er indgangsterminalens vi bølgeform, og den blå bølgeform er bølgeformen på udgangsterminalen vo.

Trin 3:

Når frekvensen stiger, bliver signalperioden mindre og mindre, og hullet tegner sig for en stigende andel.

Trin 4:

Når man observerer op -forstærkerens output på dette tidspunkt (bemærk at det ikke er vo) bølgeform, kan det konstateres, at op -ampens outputbølgeform har alvorlig forvrængning før og efter output -nulkrydsningen. Nedenfor er bølgeformerne ved output fra op -forstærkeren ved 1MHz og 10MHz.

Trin 5:

Den tidligere bølgeform kan sammenlignes med crossover-forvrængningen i push-pull-udgangskredsløbet. En intuitiv forklaring er givet nedenfor:

Når udgangsspændingen er høj, tændes dioden fuldstændigt, på hvilket tidspunkt den har et i det væsentlige fast rørspændingsfald, og op -forstærkerens output er altid en diode højere end udgangsspændingen. På dette tidspunkt fungerer op -forstærkeren i en lineær forstærkningstilstand, så outputbølgeformen er en god headerbølge.

I det øjeblik udgangssignalet krydser nul, begynder en af de to dioder at passere fra ledningen til afskæringen, mens de andre overgår fra slukket til tændt. Under denne overgang er diodenes impedans ekstremt stor og kan tilnærmes som et åbent kredsløb, så op -forstærkeren på dette tidspunkt ikke fungerer i en lineær tilstand, men tæt på den åbne sløjfe. Under indgangsspændingen vil op -forstærkeren ændre udgangsspændingen med den maksimalt mulige hastighed for at bringe dioden i ledning. Op -forstærkerens svingningshastighed er imidlertid begrænset, og det er umuligt at øge udgangsspændingen for at få dioden til at tænde på et øjeblik. Derudover har dioden en overgangstid fra on til off eller fra off til on. Så der er et hul i udgangsspændingen. Fra bølgeformen for op-forstærkerens output ovenfor kan det ses, hvordan driften af nulkrydsningen af udgangen "kæmper" i et forsøg på at ændre udgangsspændingen. Nogle materialer, herunder lærebøger, siger, at på grund af op -ampens dybe negative feedback reduceres diodenes ulinearitet til den originale 1/AF. I virkeligheden, i nærheden af nulkrydsningen af udgangssignalet, da op -forstærkeren er tæt på den åbne sløjfe, er alle formlerne for op -ampens negative feedback ugyldige, og ikke -lineariteten af dioden kan ikke analyseres af negativ feedback princip.

Hvis signalfrekvensen øges yderligere, er ikke kun svingningsproblemet, men frekvensresponsen på selve op -forstærkeren forringes også, så outputbølgeformen bliver ganske dårlig. Nedenstående figur viser outputbølgeformen ved en signalfrekvens på 50MHz.

Trin 6:

Det forrige eksperiment var baseret på op -amp AD8048 og diode SD101. Til sammenligning lavede jeg et eksperiment for at udskifte enheden.

Resultaterne er som følger:

1. Udskift op -forstærkeren med AD8047. Op-forstærkerens store signalbåndbredde (130MHz) er lidt lavere end AD8048 (160MHz), svinghastigheden er også lavere (750V/os, 8048 er 1000V/os), og forstærkningen med åben sløjfe er omkring 1300, hvilket også er lavere end 8048's 2400..

De eksperimentelle resultater (frekvens, outputgennemsnit, input rms og forholdet mellem de to) er som følger:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Det kan ses, at dets 3dB dæmpning er mindre end lidt ved 20MHz. Den lukkede båndbredde for dette kredsløb er omkring 65MHz, så outputgennemsnitligt fald på 3dB er også mindre end en tredjedel af den lukkede båndbredde i kredsløbet.

2. Erstat SD101 med 2AP9, 1N4148 osv., Men de endelige resultater ligner hinanden, der er ingen væsentlig forskel, så jeg vil ikke gentage dem her.

Der er også et kredsløb, der åbner D2 i kredsløbet som vist nedenfor.

Trin 7:

Den vigtige forskel mellem det og kredsløbet ved hjælp af to dioder (i det følgende kaldet dobbeltrørskredsløbet) er, at i dobbeltrørskredsløbet er operationsforstærkeren kun i en tilnærmelsesvis åben sløjfe-tilstand nær signalets nulovergang, og dette kredsløb (i det følgende kaldet et enkeltrørs kredsløb) Operationen i midten er i en fuldstændig åben sløjfetilstand i halvdelen af signalperioden. Så dets ikke-linearitet er bestemt meget mere alvorlig end dobbeltrørskredsløbet.

Nedenfor er outputbølgeformen for dette kredsløb:

100 kHz, svarende til et dobbeltrørskredsløb, har også et hul, når dioden tændes. Der skulle være nogle bump på det originale sted. Indgangssignalet transmitteres direkte gennem to 200 ohm modstande. Det kan undgås ved lidt at forbedre kredsløbet. Det har intet at gøre med de problemer, vi vil diskutere nedenfor. Det er 1MHz.

Trin 8:

Denne bølgeform er klart forskellig fra dobbeltrørskredsløbet. Dobbeltrørskredsløbet har en forsinkelse på ca. 40 ns ved denne frekvens, og forsinkelsen af dette enkeltrørskredsløb er 80 ns, og der ringer. Årsagen er, at op-forstærkeren er helt åben, inden dioden tændes, og dens output er tæt på den negative forsyningsspænding, så nogle af dens interne transistorer skal være i dyb mætning eller dybt slukket tilstand. Når indgangen krydser nul, vågner de transistorer, der er i "dyb søvn" -tilstand først, og derefter hæves udgangsspændingen til dioden ved svingningshastighed.

Ved lavere frekvenser er indgangssignalets stigningshastighed ikke høj, så virkningerne af disse processer vises ikke (som det er tilfældet med 100k ovenfor), og efter at frekvensen er høj, er signalhastigheden ved indgangen stor, og dermed "vågne" transistoren. Excitationsspændingen eller strømmen øges, hvilket forårsager ringning.

Trin 9:

5MHz. Der er stort set ingen berigtigelse ved denne frekvens.

Trin 10: Konklusion

Baseret på ovenstående eksperimenter kan følgende konklusioner drages:

1. Når frekvensen er meget lav, elimineres ikke -lineariteten af dioden ved den negative feedback fra op amp -dybden, og ethvert kredsløb kan få en god udbedringseffekt.

2. hvis du ønsker at opnå en højere frekvensnøjagtighed, er et enkeltrørs kredsløb ikke acceptabelt.

3. selv med dobbeltrørskredsløb vil op-forstærkerens svingningshastighed og båndbredde alvorligt påvirke udbedringsnøjagtigheden ved højere frekvenser. Dette eksperiment giver et empirisk forhold under visse betingelser: hvis udgangens planhed skal være 3 dB, er kredsløbets lukkede båndbredde (ikke op-forstærkerens GBW) mindst tre gange større end det højeste signal frekvens. Da kredsløbets lukkede båndbredde altid er mindre end eller lig med op-forstærkerens GBW, kræver præcisionsoprettelsen af højfrekvenssignalet en meget høj GBW op-forstærker.

Dette er også et krav for en udgangsniveau på 3 dB. Hvis der kræves en højere udfladethed i indgangssignalbåndet, vil op -forstærkerens frekvensrespons være højere.

Ovenstående resultater blev kun opnået under de specifikke betingelser for dette eksperiment, og op -ampens svingningshastighed blev ikke taget i betragtning, og slew -hastigheden er naturligvis en meget vigtig faktor her. Derfor, om dette forhold er anvendeligt under andre betingelser, tør forfatteren ikke bedømme. Hvordan man skal overveje slew rate er også det næste spørgsmål, der skal diskuteres.

I præcisionskorrektionskredsløbet skal op -forstærkerens båndbredde imidlertid være meget større end signalets højeste frekvens.