Et presisjonsrettelseseksperiment: 11 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Jeg har nylig gjort et eksperiment på en presisjonsrettelse krets og fikk noen grove konklusjoner. Med tanke på at presisjons likeretterkretsen er en vanlig krets, kan resultatene av dette eksperimentet gi litt referanseinformasjon.

Eksperimentell krets er som følger. Den operative forsterkeren er AD8048, hovedparametrene er: stor signalbåndbredde på 160MHz, drevehastighet på 1000V / oss. Dioden er en SD101, Schottky -diode med en omvendt gjenopprettingstid på 1ns. Alle motstandsverdier bestemmes med henvisning til AD8048 -databladet.

Trinn 1:

Det første trinnet i eksperimentet: Koble fra D2 i kretsen ovenfor, kortslutning D1, og detekter den store signalfrekvensresponsen til selve operasjonsforsterkeren. Inngangssignaltoppen holdes på rundt 1V, frekvensen endres fra 1MHz til 100MHz, inngangs- og utgangsamplituden måles med et oscilloskop, og spenningsforsterkningen beregnes. Resultatene er som følger:

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

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

Det kan sees at den store signalet lukket sløyfe 3 dB cutoff-frekvens for denne op-forsterkeren er omtrent litt mer enn 100 MHz. Dette resultatet er i utgangspunktet i tråd med den store signalfrekvensresponskurven som er gitt i AD8048 -manualen.

Steg 2:

I det andre trinnet i forsøket ble to dioder SD101A tilsatt. Inngangssignalamplituden forblir på rundt 1V topp mens du måler inngang og utgang. Etter å ha observert utgangsbølgeformen, brukes oscilloskopets målefunksjon også til å måle den effektive verdien av inngangssignalet og periodens gjennomsnitt for utgangssignalet, og beregne forholdet. Resultatene er som følger (data er frekvens, gjennomsnittlig utgang mV, inngang rms mV og forholdet: utgangs gjennomsnitt / inngang 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 kan sees at kretsen kan oppnå god utbedring ved lave frekvenser, men etter hvert som frekvensen øker, reduseres utbedringsnøyaktigheten gradvis. Hvis utgangen er basert på 100 kHz, har utgangen falt med 3 dB ved omtrent 30 MHz.

Båndbredden for enhetsforsterkning med stort signal til AD8048 op-forsterkeren er 160 MHz. Støyforsterkningen til denne kretsen er 2, så båndbredden for lukket sløyfe er omtrent 80MHz (beskrevet tidligere, det faktiske eksperimentelle resultatet er litt større enn 100MHz). Gjennomsnittlig utgang for den utbedrede utgangen synker med 3 dB, som er omtrent 30 MHz, mindre enn en tredjedel av den lukkede båndbredden til kretsen som testes. Med andre ord, hvis vi ønsker å lage en presisjons likeretterkrets med en planhet på mindre enn 3dB, bør båndbredden for kretsløpet i kretsen være minst tre ganger høyere enn signalets høyeste frekvens.

Nedenfor er testbølgeformen. Den gule bølgeformen er bølgeformen til inngangsterminalen vi, og den blå bølgeformen er bølgeformen til utgangsterminalen vo.

Trinn 3:

Etter hvert som frekvensen øker, blir signalperioden mindre og mindre, og gapet står for en økende andel.

Trinn 4:

Når vi observerer utgangen til op -forsterkeren på dette tidspunktet (merk at det ikke er vo) bølgeform, kan det bli funnet at utgangsbølgeformen til op -forsterkeren har alvorlig forvrengning før og etter utgangsnullovergangen. Nedenfor er bølgeformene ved utgangen til op -forsterkeren ved 1MHz og 10MHz.

Trinn 5:

Den forrige bølgeformen kan sammenlignes med crossover-forvrengningen i push-pull-utgangskretsen. En intuitiv forklaring er gitt nedenfor:

Når utgangsspenningen er høy, er dioden slått helt på, da har den et vesentlig fast rørspenningsfall, og utgangen til op -forsterkeren er alltid en diode høyere enn utgangsspenningen. På dette tidspunktet fungerer op -forsterkeren i en lineær forsterkningstilstand, så utgangsbølgeformen er en god topptekstbølge.

I det øyeblikket utgangssignalet krysser null, begynner en av de to dioder å passere fra ledningen til cutoff, mens de andre går over fra av til på. Under denne overgangen er impedansen til dioden ekstremt stor og kan tilnærmes som en åpen krets, så op -forsterkeren på dette tidspunktet fungerer ikke i lineær tilstand, men nær den åpne sløyfen. Under inngangsspenningen vil op -forsterkeren endre utgangsspenningen med maksimal hastighet for å bringe dioden i ledning. Dreiehastigheten til op -forsterkeren er imidlertid begrenset, og det er umulig å øke utgangsspenningen for å få dioden til å slå på på et øyeblikk. I tillegg har dioden en overgangstid fra på til av eller fra av til. Så det er et gap i utgangsspenningen. Fra bølgeformen til utgangen til op-forsterkeren ovenfor, kan det sees hvordan driften av nullovergangen til utgangen "sliter" i et forsøk på å endre utgangsspenningen. Noen materialer, inkludert lærebøker, sier at på grunn av den dype negative tilbakemeldingen fra forsterkeren, reduseres ikke -lineariteten til dioden til den opprinnelige 1/AF. Imidlertid er faktisk nær nullovergangen til utgangssignalet, siden op -forsterkeren er nær den åpne sløyfen, alle formlene for den negative tilbakemeldingen til op -forsterkeren ugyldige, og ikke -lineariteten til dioden kan ikke analyseres av negative tilbakemeldingsprinsipper.

Hvis signalfrekvensen økes ytterligere, er ikke bare drevehastighetsproblemet, men frekvensresponsen til selve forsterkeren blir også degradert, så utgangsbølgeformen blir ganske dårlig. Figuren nedenfor viser utgangsbølgeformen ved en signalfrekvens på 50MHz.

Trinn 6:

Det forrige eksperimentet var basert på op amp AD8048 og diode SD101. Til sammenligning gjorde jeg et eksperiment for å erstatte enheten.

Resultatene er som følger:

1. Bytt op -forsterkeren med AD8047. Op-forsterkerens store signalbåndbredde (130MHz) er litt lavere enn AD8048 (160MHz), drevehastigheten er også lavere (750V/oss, 8048 er 1000V/oss), og forsterkningen med åpen sløyfe er ca 1300, noe som også er lavere enn 8048 -tallet 2400..

De eksperimentelle resultatene (frekvens, utgangsgjennomsnitt, input rms og forholdet mellom 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 sees at dens 3DB -demping er mindre enn litt ved 20MHz. Den lukkede båndbredden til denne kretsen er omtrent 65MHz, så gjennomsnittlig utgang på 3dB er også mindre enn en tredjedel av kretsens båndbredde.

2. Erstatt SD101 med 2AP9, 1N4148, etc., men de endelige resultatene er like, det er ingen vesentlig forskjell, så jeg vil ikke gjenta dem her.

Det er også en krets som åpner D2 i kretsen som vist nedenfor.

Trinn 7:

Den viktige forskjellen mellom den og kretsen ved bruk av to dioder (heretter referert til som dobbeltrørskretsen) er at i dobbeltrørskretsen er operasjonsforsterkeren bare i en tilnærmet åpen sløyfetilstand i nærheten av nullovergangen til signalet, og denne kretsen (heretter referert til som en enkeltrørs krets) Operasjonen i midten er i en helt åpen sløyfetilstand i halvparten av signalperioden. Så dens ikke-linearitet er definitivt mye mer alvorlig enn kretsen med dobbeltrør.

Nedenfor er utgangsbølgeformen til denne kretsen:

100 kHz, lik en krets med to rør, har også et gap når dioden slås på. Det bør være noen støt på det opprinnelige stedet. Inngangssignalet overføres direkte gjennom to 200 ohm motstander. Det kan unngås ved å forbedre kretsen litt. Det har ingenting å gjøre med problemene vi vil diskutere nedenfor. Det er 1MHz.

Trinn 8:

Denne bølgeformen er tydelig forskjellig fra kretsen med to rør. Dobbelrørs kretsen har en forsinkelse på omtrent 40 ns ved denne frekvensen, og forsinkelsen til denne enkeltrørs kretsen er 80 ns, og det ringer. Årsaken er at op-forsterkeren er helt åpen sløyfe før dioden slås på, og dens utgang er nær den negative forsyningsspenningen, så noen av dens interne transistorer må være i dyp metning eller dyp av. Når inngangen krysser null, blir transistorene som er i "dyp søvn" -tilstand først "våknet", og deretter blir utgangsspenningen hevet til dioden med drevehastigheten.

Ved lavere frekvenser er stigningshastigheten til inngangssignalet ikke høy, så effektene av disse prosessene vises ikke (som tilfellet er med 100k ovenfor), og etter at frekvensen er høy, er signalhastigheten ved inngangen stor, og dermed "vekke" transistoren. Eksitasjonsspenningen eller strømmen vil øke, noe som forårsaker ringing.

Trinn 9:

5MHz. Det er i utgangspunktet ingen utbedring på denne frekvensen.

Trinn 10: Konklusjon

Basert på eksperimentene ovenfor kan følgende konklusjoner trekkes:

1. Når frekvensen er veldig lav, elimineres ikke -lineariteten til dioden ved den negative tilbakemeldingen fra op amp -dybden, og enhver krets kan få en god utbedringseffekt.

2. Hvis du ønsker å oppnå høyere frekvens-presisjonsoppretning, er enkeltrørs krets ikke akseptabelt.

3. selv med kretser med to rør vil slephastigheten og båndbredden til op-forsterkeren alvorlig påvirke korreksjonsnøyaktigheten ved høyere frekvenser. Dette eksperimentet gir et empirisk forhold under visse betingelser: hvis flatheten til utgangen må være 3 dB, er båndbredden for kretsløpet (ikke GBW for op amp) minst tre ganger større enn det høyeste signalet Frekvens. Siden båndbredden for lukket sløyfe til kretsen alltid er mindre enn eller lik GBW for op-forsterkeren, krever presisjonsrettelsen av høyfrekvenssignalet en meget høy GBW op-forsterker.

Dette er også et krav for en utgangsplanhet på 3 dB. Hvis det kreves høyere utgangsnivå i inngangssignalbåndet, vil frekvensresponsen til op -forsterkeren være høyere.

De ovennevnte resultatene ble bare oppnådd under de spesifikke forholdene i dette eksperimentet, og drevehastigheten til op -forsterkeren ble ikke vurdert, og slevehastigheten er åpenbart en veldig viktig faktor her. Derfor, om dette forholdet er gjeldende under andre forhold, tør ikke forfatteren bedømme. Hvordan du skal vurdere slew rate er også det neste spørsmålet som skal diskuteres.

I presisjonsrettings -kretsen bør imidlertid båndbredden til op -forsterkeren være mye større enn signalets høyeste frekvens.