Experiment s přesnou nápravou: 11 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Nedávno jsem provedl experiment na obvodu přesné nápravy a došel jsem k hrubým závěrům. Vzhledem k tomu, že obvod přesného usměrňovače je společný obvod, mohou výsledky tohoto experimentu poskytnout určité referenční informace.

Experimentální obvod je následující. Operační zesilovač je AD8048, hlavní parametry jsou: velká šířka pásma signálu 160 MHz, rychlost přeběhu 1000 V / us. Dioda je Schottkyho dioda SD101 s dobou zpětného zotavení 1ns. Všechny hodnoty odporu jsou určeny odkazem na datový list AD8048.

Krok 1:

První krok experimentu: odpojte D2 ve výše uvedeném obvodu, zkratujte D1 a detekujte velkou frekvenční odezvu samotného operačního zesilovače. Špička vstupního signálu se udržuje kolem 1 V, frekvence se mění z 1 MHz na 100 MHz, vstupní a výstupní amplitudy se měří osciloskopem a vypočítává se zesílení napětí. Výsledky jsou následující:

Ve frekvenčním rozsahu 1M až 100M nemá tvar vlny žádné pozorovatelné významné zkreslení.

Změny zisku jsou následující: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Je vidět, že mezní frekvence velkého signálu s uzavřenou smyčkou 3 dB tohoto operačního zesilovače je o něco více než 100 MHz. Tento výsledek je v zásadě v souladu s velkou křivkou frekvenční odezvy signálu uvedenou v manuálu AD8048.

Krok 2:

Ve druhém kroku experimentu byly přidány dvě diody SD101A. Při měření vstupu a výstupu zůstává amplituda vstupního signálu na špičce přibližně 1V. Po pozorování výstupního průběhu vlny se také měřící funkce osciloskopu používá k měření efektivní hodnoty vstupního signálu a periodického průměru výstupního signálu a k výpočtu jejich poměru. Výsledky jsou následující (data jsou frekvence, střední průměr mV, vstupní efektivní hodnota mV a jejich poměr: průměrná hodnota výstupu / vstupní efektivní hodnota):

100 kHz, 306, 673, 0,45

1 MHz, 305, 686, 0,44

5 MHz, 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

Je vidět, že obvod může dosáhnout dobré rektifikace na nízkých frekvencích, ale jak se frekvence zvyšuje, přesnost rektifikace postupně klesá. Pokud je výstup založen na 100 kHz, výkon klesl o 3 dB při přibližně 30 MHz.

Šířka pásma jednoty zisku velkého signálu operačního zesilovače AD8048 je 160 MHz. Zesílení šumu tohoto obvodu je 2, takže šířka pásma uzavřené smyčky je asi 80 MHz (popsáno dříve, skutečný experimentální výsledek je o něco větší než 100 MHz). Průměrný výkon usměrněného výstupu klesá o 3 dB, což je přibližně 30 MHz, což je méně než jedna třetina šířky pásma uzavřeného obvodu testovaného obvodu. Jinými slovy, pokud chceme vytvořit přesný usměrňovací obvod s plochostí menší než 3dB, šířka pásma obvodu v uzavřené smyčce by měla být alespoň třikrát vyšší než nejvyšší frekvence signálu.

Níže je testovací průběh. Žlutá křivka je křivka vstupního terminálu vi a modrá křivka je výstupní svorka vo.

Krok 3:

Se zvyšující se frekvencí se perioda signálu zmenšuje a zmenšuje a mezera tvoří stále větší část.

Krok 4:

Při sledování výstupu operačního zesilovače v této době (všimněte si, že to není vo) průběh, lze zjistit, že výstupní průběh operačního zesilovače má vážné zkreslení před a po křížení výstupní nuly. Níže jsou uvedeny průběhy na výstupu operačního zesilovače při 1MHz a 10MHz.

Krok 5:

Předchozí průběh lze porovnat s crossover zkreslením ve výstupním obvodu push-pull. Intuitivní vysvětlení je uvedeno níže:

Když je výstupní napětí vysoké, dioda je plně zapnutá, v tomto okamžiku má v podstatě pevný pokles napětí trubice a výstup operačního zesilovače je vždy o jednu diodu vyšší než výstupní napětí. V tomto okamžiku operační zesilovač pracuje ve stavu lineárního zesílení, takže výstupní tvar vlny je dobrá hlavičková vlna.

V okamžiku, kdy výstupní signál překročí nulu, začne jedna ze dvou diod procházet z vedení do mezní polohy, zatímco ostatní přecházejí z vypnutého do zapnutého stavu. Během tohoto přechodu je impedance diody extrémně velká a lze ji aproximovat jako otevřený obvod, takže operační zesilovač v tuto chvíli nepracuje v lineárním stavu, ale v blízkosti otevřené smyčky. Pod vstupním napětím operační zesilovač změní výstupní napětí maximální možnou rychlostí, aby se dioda dostala do vedení. Rychlost přeběhu operačního zesilovače je však omezená a není možné zvýšit výstupní napětí, aby se dioda okamžitě zapnula. Dioda má navíc přechodový čas ze zapnuto na vypnuto nebo z vypnuto na zapnuto. Existuje tedy mezera ve výstupním napětí. Z výše uvedeného průběhu výstupního signálu operačního zesilovače je vidět, jak se provoz nulového křížení výstupu „snaží“ve snaze změnit výstupní napětí. Některé materiály, včetně učebnic, uvádějí, že díky hluboké negativní zpětné vazbě operačního zesilovače je nelinearita diody snížena na původní 1/AF. Ve skutečnosti však v blízkosti nulového křížení výstupního signálu, protože operační zesilovač je blízko otevřené smyčky, jsou všechny vzorce pro negativní zpětnou vazbu operačního zesilovače neplatné a nelinearitu diody nelze analyzovat princip negativní zpětné vazby.

Pokud je frekvence signálu dále zvýšena, není to jen problém rychlosti přeběhu, ale je také degradována frekvenční odezva samotného operačního zesilovače, takže výstupní průběh je docela špatný. Následující obrázek ukazuje výstupní vlnovou frekvenci signálu 50 MHz.

Krok 6:

Předchozí experiment byl založen na operačním zesilovači AD8048 a diodě SD101. Pro srovnání jsem provedl experiment na výměnu zařízení.

Výsledky jsou následující:

1. Vyměňte operační zesilovač za AD8047. Velká šířka pásma operačního zesilovače (130 MHz) je o něco nižší než AD8048 (160 MHz), rychlost přeběhu je také nižší (750 V/us, 8048 je 1 000 V/us) a zisk otevřené smyčky je přibližně 1300, což je také nižší než 8000 z 2400.

Experimentální výsledky (frekvence, výstupní průměr, vstupní efektivní hodnota a poměr těchto dvou) jsou následující:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Je vidět, že jeho útlum 3dB je při 20 MHz menší než málo. Šířka pásma uzavřeného obvodu tohoto obvodu je asi 65 MHz, takže průměrný výstupní pokles 3dB je také menší než jedna třetina šířky pásma uzavřeného obvodu.

2. Vyměňte SD101 za 2AP9, 1N4148 atd., Ale konečné výsledky jsou podobné, není zde žádný podstatný rozdíl, proto je zde nebudu opakovat.

Existuje také obvod, který otevírá D2 v obvodu, jak je znázorněno níže.

Krok 7:

Důležitým rozdílem mezi ním a obvodem využívajícím dvě diody (dále jen obvod s dvojitou trubkou) je, že v obvodu se dvěma trubicemi je operační zesilovač pouze ve stavu přibližně otevřené smyčky poblíž nulového křížení signálu, a tento obvod (dále jen jednovrstvý obvod) Operace uprostřed je po polovinu periody signálu ve stavu zcela otevřené smyčky. Jeho nelinearita je tedy rozhodně mnohem vážnější než obvod se dvěma trubicemi.

Níže je výstupní průběh tohoto obvodu:

100kHz, podobný duálnímu trubicovému obvodu, má také při zapnutí diody mezeru. Na původním místě by měly být nějaké nerovnosti. Vstupní signál je přímo přenášen přes dva 200 ohmové odpory. Lze se tomu vyhnout mírným vylepšením obvodu. Nemá to nic společného s problémy, o nichž budeme diskutovat níže. Je to 1 MHz.

Krok 8:

Tato křivka se jasně liší od duálního obvodu. Dvouplášťový obvod má na této frekvenci zpoždění asi 40 ns a zpoždění tohoto jednovrstvého obvodu je 80 ns a dochází k vyzvánění. Důvodem je, že operační zesilovač je před zapnutím diody zcela otevřený a jeho výstup je blízký zápornému napájecímu napětí, takže některé jeho vnitřní tranzistory musí být ve stavu hluboké saturace nebo hlubokého vypnutí. Když vstup překročí nulu, tranzistory, které jsou ve stavu „hlubokého spánku“, se nejprve „probudí“a poté se výstupní napětí zvýší na diodu rychlostí přeběhu.

Při nižších frekvencích není rychlost vzestupu vstupního signálu vysoká, takže efekty těchto procesů nejsou znázorněny (jak je tomu u 100k výše) a poté, co je frekvence vysoká, je rychlost signálu na vstupu velká, čímž „probudí“tranzistor. Budicí napětí nebo proud se zvýší, což způsobí vyzvánění.

Krok 9:

5 MHz. Na této frekvenci v zásadě nedochází k nápravě.

Krok 10: Závěr

Na základě výše uvedených experimentů lze vyvodit následující závěry:

1. Když je frekvence velmi nízká, nelinearita diody je eliminována negativní zpětnou vazbou hloubky operačního zesilovače a jakýkoli obvod může dosáhnout dobrého efektu nápravy.

2. pokud chcete dosáhnout vyšší frekvenční přesnosti nápravy, obvod s jednou trubkou není přijatelný.

3. i u duálních elektronkových obvodů rychlost přeběhu a šířka pásma operačního zesilovače vážně ovlivní přesnost usměrnění při vyšších frekvencích. Tento experiment poskytuje za určitých podmínek empirický vztah: pokud je požadována rovinnost výstupu 3 dB, šířka pásma uzavřeného obvodu obvodu (nikoli GBW operačního zesilovače) je nejméně třikrát větší než nejvyšší signál frekvence. Protože šířka pásma obvodu v uzavřené smyčce je vždy menší nebo rovna GBW operačního zesilovače, vyžaduje přesná rektifikace vysokofrekvenčního signálu velmi vysoký operační zesilovač GBW.

To je také požadavek na výstupní plochost 3 dB. Pokud je v pásmu vstupního signálu požadována vyšší plochost výstupu, bude frekvenční odezva operačního zesilovače vyšší.

Výše uvedené výsledky byly získány pouze za specifických podmínek tohoto experimentu a rychlost přeběhu operačního zesilovače nebyla zohledněna a rychlost přeběhu je zde zjevně velmi důležitým faktorem. Autor si tedy netroufá posoudit, zda je tento vztah použitelný i za jiných podmínek. Jak zvážit rychlost přeběhu je také další otázkou, kterou je třeba prodiskutovat.

V obvodu přesného usměrnění by však šířka pásma operačního zesilovače měla být mnohem větší než nejvyšší frekvence signálu.