Ett experiment för rättelse av precision: 11 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Jag har nyligen gjort ett experiment på en precisionsriktningskrets och fått några grova slutsatser. Med tanke på att precisionslikriktarkretsen är en vanlig krets kan resultaten från detta experiment ge lite referensinformation.

Den experimentella kretsen är enligt följande. Driftförstärkaren är AD8048, huvudparametrarna är: stor signalbandbredd på 160MHz, svänghastighet på 1000V / us. Dioden är en SD101, Schottky -diod med en omvänd återhämtningstid på 1ns. Alla motståndsvärden bestäms med hänvisning till AD8048 -databladet.

Steg 1:

Experimentets första steg: koppla bort D2 i ovanstående krets, kortslutning D1 och detektera det stora signalfrekvenssvaret hos själva operationsförstärkaren. Ingångssignaltoppen hålls på cirka 1 V, frekvensen ändras från 1 MHz till 100 MHz, ingångs- och utmatningsamplituden mäts med ett oscilloskop och spänningsförstärkningen beräknas. Resultaten är följande:

I frekvensområdet 1M till 100M har vågformen ingen observerbar signifikant distorsion.

Förstärkningsförändringarna är följande: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Det kan ses att den stora signalens slutfrekvens på 3 dB för denna förstärkare är ungefär lite mer än 100 MHz. Detta resultat är i princip i linje med den stora signalfrekvenssvarskurvan som ges i AD8048 -manualen.

Steg 2:

I experimentets andra steg tillsattes två dioder SD101A. Insignalsamplituden förblir på cirka 1V topp medan man mäter ingång och utgång. Efter att ha observerat utmatningsvågformen används oscilloskopets mätfunktion också för att mäta insignalens effektiva värde och utsignalens periodgenomsnitt och beräkna deras förhållande. Resultaten är följande (data är frekvens, utgångsmedelvärde mV, ingångs -rms -mV och deras förhållande: utgångsgenomsnitt / ingångs -rms):

100kHz, 306, 673, 0,45

1 MHz, 305, 686, 0,44

5MHz, 301, 679, 0,44

10MHz, 285, 682, 0,42

20MHz, 253, 694, 0,36

30 MHz, 221, 692, 0,32

50MHz, 159, 690, 0,23

80MHz, 123, 702, 0,18

100MHz, 80, 710, 0,11

Det kan ses att kretsen kan uppnå god upprätthållning vid låga frekvenser, men när frekvensen ökar minskar rättningsnoggrannheten gradvis. Om utgången är baserad på 100 kHz har utgången sjunkit med 3 dB vid cirka 30 MHz.

Den stora signalförstärkningsbandbredden för AD8048 op-förstärkaren är 160 MHz. Brusförstärkningen för denna krets är 2, så bandbredden med sluten slinga är cirka 80 MHz (beskrivet tidigare, det faktiska experimentella resultatet är något större än 100 MHz). Medeleffekten för den rättade utmatningen sjunker med 3 dB, vilket är ungefär 30 MHz, mindre än en tredjedel av den slutna bandbredden för kretsen som testas. Med andra ord, om vi vill göra en precisionslikriktarkrets med en planhet mindre än 3dB, bör kretsens slutna bandbredd vara minst tre gånger högre än signalens högsta frekvens.

Nedan är testvågformen. Den gula vågformen är vågformen för ingångsterminalen vi, och den blå vågformen är vågformen för utgångsterminalen vo.

Steg 3:

När frekvensen ökar blir signalperioden mindre och mindre, och gapet står för en ökande andel.

Steg 4:

Observera utgången från op -förstärkaren vid denna tid (observera att det inte är vo) vågform, kan det konstateras att utgångsvågformen för op -förstärkaren har kraftig förvrängning före och efter utgångens nollkorsning. Nedan visas vågformerna vid utgången av op -förstärkaren vid 1MHz och 10MHz.

Steg 5:

Den tidigare vågformen kan jämföras med crossover-distorsionen i push-pull-utgångskretsen. En intuitiv förklaring ges nedan:

När utspänningen är hög är dioden helt påslagen, vid vilken tidpunkt den har ett väsentligen fixerat rörspänningsfall, och utgången från op -förstärkaren är alltid en diod högre än utspänningen. Vid denna tidpunkt fungerar op -förstärkaren i ett linjärt förstärkningstillstånd, så utgångsvågformen är en bra rubrikvåg.

I det ögonblick som utsignalen korsar noll, börjar en av de två dioderna att passera från ledningen till avstängningen, medan den andra övergår från av till till. Under denna övergång är diodens impedans extremt stor och kan approximeras som en öppen krets, så op -förstärkaren vid denna tidpunkt fungerar inte i ett linjärt tillstånd, utan nära den öppna slingan. Under ingångsspänningen kommer op -förstärkaren att ändra utspänningen med maximal möjlig hastighet för att få dioden i ledning. Dock är op -förstärkarens svänghastighet begränsad, och det är omöjligt att höja utspänningen för att få dioden att slå på på ett ögonblick. Dessutom har dioden en övergångstid från på till av eller från av till på. Så det finns ett gap i utspänningen. Från vågformen för utgången från op-förstärkaren ovan kan man se hur nollkorsningen av utgången "kämpar" i ett försök att ändra utspänningen. Vissa material, inklusive läroböcker, säger att på grund av den djupa negativa återkopplingen från opförstärkaren reduceras diodens olinearitet till den ursprungliga 1/AF. Men i själva verket nära utgångssignalens nollkorsning, eftersom op -förstärkaren är nära den öppna slingan, är alla formler för op -ampens negativa återkoppling ogiltiga och diodens olinearitet kan inte analyseras av negativ feedback -princip.

Om signalfrekvensen ökas ytterligare, är inte bara svängningsproblemet, utan frekvenssvaret för själva förstärkaren försämras också, så utgångsvågformen blir ganska dålig. Figuren nedan visar utmatningsvågformen vid en signalfrekvens på 50 MHz.

Steg 6:

Det föregående experimentet baserades på op -amp AD8048 och diod SD101. För jämförelse gjorde jag ett experiment för att ersätta enheten.

Resultaten är följande:

1. Byt ut förstärkaren mot AD8047. Op-förstärkarens stora signalbandbredd (130MHz) är något lägre än AD8048 (160MHz), svänghastigheten är också lägre (750V/us, 8048 är 1000V/us) och öppen loop-förstärkning är cirka 1300, vilket också är lägre än 8048: s 2400..

De experimentella resultaten (frekvens, utgångsgenomsnitt, ingångs -rms och förhållandet mellan de två) är följande:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Det kan ses att dess 3dB -dämpning är mindre än lite vid 20MHz. Den slutna slingans bandbredd för denna krets är cirka 65 MHz, så det genomsnittliga utgångsfallet på 3dB är också mindre än en tredjedel av kretsens slutna bandbredd.

2. Ersätt SD101 med 2AP9, 1N4148, etc., men de slutliga resultaten är liknande, det finns ingen väsentlig skillnad, så jag kommer inte att upprepa dem här.

Det finns också en krets som öppnar D2 i kretsen enligt nedan.

Steg 7:

Den viktiga skillnaden mellan den och kretsen med två dioder (nedan kallad dubbelrörskretsen) är att i dubbelrörskretsen är operationsförstärkaren endast i ett ungefär öppet tillstånd nära signalens nollövergång, och denna krets (nedan kallad en enkelrörskrets) Operationen i mitten är i ett helt öppet slingläge under hälften av signalperioden. Så dess olinearitet är definitivt mycket allvarligare än dubbelrörskretsen.

Nedan är utgångsvågformen för denna krets:

100 kHz, liknande en dubbelrörskrets, har också ett gap när dioden slås på. Det borde finnas några stötar på den ursprungliga platsen. Insignalen överförs direkt via två 200 ohm motstånd. Det kan undvikas genom att något förbättra kretsen. Det har inget att göra med problemen vi kommer att diskutera nedan. Det är 1 MHz.

Steg 8:

Denna vågform skiljer sig klart från kretsen med dubbla rör. Dubbelrörskretsen har en fördröjning på cirka 40 ns vid denna frekvens, och fördröjningen för denna enkelrörskrets är 80 ns, och det ringer. Anledningen är att op-förstärkaren är helt öppen innan dioden slås på och dess utgång är nära den negativa matningsspänningen, så några av dess interna transistorer måste vara i djup mättnad eller djupt av. När ingången passerar noll, vaknar transistorerna som är i "djupt sömn" -läge först och sedan höjs utspänningen till dioden med svänghastigheten.

Vid lägre frekvenser är insignalens ökningstakt inte hög, så effekterna av dessa processer visas inte (som är fallet med 100k ovan), och efter att frekvensen är hög är signalhastigheten vid ingången stor, vilket "väcker" transistorn. Excitationsspänningen eller strömmen kommer att öka, vilket orsakar ringning.

Steg 9:

5 MHz. Det finns i princip ingen rättelse vid denna frekvens.

Steg 10: Slutsats

Baserat på ovanstående experiment kan följande slutsatser dras:

1. När frekvensen är mycket låg elimineras diodens olinjäritet genom den negativa återkopplingen från op -förstärkardjupet, och vilken krets som helst kan få en bra rättningseffekt.

2. om du vill uppnå högre frekvensriktningsriktning är enrörskrets inte acceptabelt.

3. även med dubbla rörkretsar kommer op-förstärkarens svängningshastighet och bandbredd att påverka korrektionsnoggrannheten vid högre frekvenser allvarligt. Detta experiment ger ett empiriskt förhållande under vissa förhållanden: om utmatningens planhet måste vara 3 dB, är kretsens slutna bandbredd (inte op-förstärkarens GBW) minst tre gånger större än den högsta signalen frekvens. Eftersom kretsens slutna bandbredd alltid är mindre än eller lika med GBW för op-förstärkaren, kräver precisionsriktningen av högfrekvenssignalen en mycket hög GBW op-amp.

Detta är också ett krav för en utgående planhet på 3 dB. Om högre utgångsläge krävs i insignalbandet blir frekvenssvaret för op -förstärkaren högre.

Ovanstående resultat erhölls endast under de specifika förhållandena i detta experiment, och förstärkarens hastighet beaktades inte, och svänghastigheten är uppenbarligen en mycket viktig faktor här. Därför, om detta förhållande är tillämpligt under andra förhållanden, vågar författaren inte döma. Hur man ska överväga svängningsgraden är också nästa fråga som ska diskuteras.

I precisionskorrigerings -kretsen bör dock op -förstärkarens bandbredd vara mycket större än signalens högsta frekvens.