Un experiment de rectificació de precisió: 11 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Recentment he fet un experiment sobre un circuit de rectificació de precisió i he obtingut algunes conclusions aproximades. Tenint en compte que el circuit de rectificació de precisió és un circuit comú, els resultats d’aquest experiment poden proporcionar alguna informació de referència.

El circuit experimental és el següent. L’amplificador operatiu és AD8048, els principals paràmetres són: amplada de banda de senyal gran de 160 MHz, freqüència de gir de 1000 V / us. El díode és un díode Schottky SD101 amb un temps de recuperació inversa d’1ns. Tots els valors de la resistència es determinen fent referència al full de dades AD8048.

Pas 1:

El primer pas de l’experiment: desconnectar D2 al circuit anterior, curtcircuitar D1 i detectar la resposta de freqüència del senyal gran del propi amplificador operacional. El pic del senyal d'entrada es manté al voltant d'1 V, la freqüència canvia d'1 MHz a 100 MHz, les amplituds d'entrada i sortida es mesuren amb un oscil·loscopi i es calcula el guany de tensió. Els resultats són els següents:

En el rang de freqüències d’1M a 100M, la forma d’ona no té una distorsió significativa observable.

Els canvis de guany són els següents: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Es pot observar que la freqüència de tall de 3 dB de bucle tancat de senyal gran d’aquest amplificador operatiu és aproximadament de poc més de 100 MHz. Aquest resultat coincideix bàsicament amb la gran corba de resposta de freqüència del senyal que es dóna al manual AD8048.

Pas 2:

En el segon pas de l'experiment, es van afegir dos díodes SD101A. L'amplitud del senyal d'entrada es manté al voltant d'1V pic mentre es mesura l'entrada i la sortida. Després d’observar la forma d’ona de sortida, la funció de mesura de l’oscil·loscopi també s’utilitza per mesurar el valor efectiu del senyal d’entrada i la mitjana del període del senyal de sortida i calcular-ne la relació. Els resultats són els següents (les dades són la freqüència, la mitjana de sortida mV, l’entrada rms mV i la seva relació: mitjana de sortida / entrada rms):

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

Es pot veure que el circuit pot aconseguir una bona rectificació a freqüències baixes, però a mesura que augmenta la freqüència, la precisió de rectificació disminueix gradualment. Si la sortida es basa en 100 kHz, la sortida ha caigut 3 dB a 30 MHz aproximadament.

L’amplada de banda de guany d’unitat de senyal gran de l’amplificador operatiu AD8048 és de 160 MHz. El guany de soroll d’aquest circuit és de 2, de manera que l’amplada de banda de llaç tancat és d’uns 80 MHz (es va descriure anteriorment, el resultat experimental real és lleugerament superior a 100 MHz). La sortida mitjana de la sortida rectificada cau 3 dB, que és aproximadament 30 MHz, menys d’un terç de l’amplada de banda de circuit tancat del circuit que es prova. Dit d’una altra manera, si volem fer un circuit rectificador de precisió amb una planitud inferior a 3dB, l’amplada de banda de circuit tancat hauria de ser almenys tres vegades superior a la freqüència més alta del senyal.

A continuació es mostra la forma d’ona de prova. La forma d'ona groga és la forma d'ona del terminal d'entrada vi, i la forma d'ona blava és la forma d'ona del terminal de sortida vo.

Pas 3:

A mesura que augmenta la freqüència, el període de senyal es fa cada vegada més petit i el gap representa una proporció creixent.

Pas 4:

Observant la sortida de l'amplificador operatiu en aquest moment (tingueu en compte que no és vo) la forma d'ona, es pot trobar que la forma d'ona de sortida de l'amplificador operatiu té una distorsió severa abans i després del creuament zero de sortida. A continuació es mostren les formes d'ona a la sortida de l'amplificador operatiu a 1 MHz i 10 MHz.

Pas 5:

La forma d'ona anterior es pot comparar amb la distorsió creuada del circuit de sortida push-pull. A continuació es dóna una explicació intuïtiva:

Quan el voltatge de sortida és alt, el díode està completament engegat, moment en el qual té una caiguda de tensió del tub substancialment fixa, i la sortida de l'amplificador operatiu sempre és un díode superior al voltatge de sortida. En aquest moment, l'amplificador operatiu funciona en un estat d'amplificació lineal, de manera que la forma d'ona de sortida és una bona ona de capçalera.

En el moment en què el senyal de sortida creua zero, un dels dos díodes comença a passar de la conducció al tall, mentre que l’altre passa de l’apagat a l’encès. Durant aquesta transició, la impedància del díode és extremadament gran i es pot aproximar com a circuit obert, de manera que l'amplificador operatiu en aquest moment no funciona en un estat lineal, sinó proper al bucle obert. Sota la tensió d’entrada, l’ampli operatiu canviarà la tensió de sortida a la velocitat màxima possible per portar el díode a conducció. Tanmateix, la velocitat de rotació de l'amplificador operatiu és limitada i és impossible augmentar la tensió de sortida perquè el díode s'encengui en un instant. A més, el díode té un temps de transició d’encès a apagat o d’apagat a encès. Per tant, hi ha un buit en la tensió de sortida. A partir de la forma d'ona de la sortida de l'amplificador operacional superior, es pot veure com el funcionament del pas de zero de la sortida està "lluitant" en un intent de canviar la tensió de sortida. Alguns materials, inclosos els llibres de text, diuen que, a causa de la profunda retroalimentació negativa de l'amplificador operatiu, la no linealitat del díode es redueix a l'1 / AF original. Tanmateix, de fet, a prop del creuament zero del senyal de sortida, atès que l’amplificador operatiu és a prop del bucle obert, totes les fórmules per a la retroalimentació negativa de l’amplificador operatiu no són vàlides i la no linealitat del díode no pot ser analitzada pel principi de retroalimentació negativa.

Si la freqüència del senyal augmenta encara més, no només es produeix un problema de freqüència de gir, sinó que també es degrada la resposta en freqüència del propi amplificador operatiu, de manera que la forma d’ona de sortida es torna força dolenta. La figura següent mostra la forma d'ona de sortida a una freqüència de senyal de 50 MHz.

Pas 6:

L’experiment anterior es basava en l’ampli operatiu AD8048 i el díode SD101. Per a una comparació, vaig fer un experiment per substituir el dispositiu.

Els resultats són els següents:

1. Substituïu l'amplificador operatiu per AD8047. L’amplada de banda del senyal de l’amplificador operatiu (130 MHz) és lleugerament inferior a l’AD8048 (160 MHz), la freqüència de rotació també és inferior (750 V / us, 8048 és 1000 V / us) i el guany de bucle obert és d’uns 1300, que també és inferior a la 2.400 del 8048.

Els resultats experimentals (freqüència, mitjana de sortida, RMS d’entrada i proporció dels dos) són els següents:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Es pot veure que la seva atenuació en 3dB és inferior a una mica a 20 MHz. L’amplada de banda de circuit tancat d’aquest circuit és d’uns 65 MHz, de manera que la caiguda mitjana de sortida de 3dB és també inferior a un terç de l’amplada de banda de circuit tancat.

2. Substituïu SD101 per 2AP9, 1N4148, etc., però els resultats finals són similars, no hi ha diferències substancials, de manera que no els repetiré aquí.

També hi ha un circuit que obre el D2 al circuit com es mostra a continuació.

Pas 7:

La diferència important entre ell i el circuit que utilitza dos díodes (en endavant, circuit de doble tub) és que en el circuit de doble tub, l'amplificador operacional només es troba en un estat aproximadament de bucle obert a prop del pas zero del senyal, i aquest circuit (en endavant, circuit monotub) L'operació al centre es troba en un estat de bucle completament obert durant la meitat del període de senyal. Per tant, la seva no-linealitat és definitivament molt més greu que el circuit de doble tub.

A continuació es mostra la forma d'ona de sortida d'aquest circuit:

100 kHz, similar a un circuit de doble tub, també té un buit quan s’encén el díode. Hi hauria d’haver alguns ressalts al lloc original. El senyal d’entrada es transmet directament a través de dues resistències de 200 ohm. Es pot evitar millorant lleugerament el circuit. No té res a veure amb els problemes que comentarem a continuació. És a 1 MHz.

Pas 8:

Aquesta forma d'ona és clarament diferent del circuit de doble tub. El circuit de doble tub té un retard d’uns 40 ns a aquesta freqüència, i el retard d’aquest circuit d’un sol tub és de 80 ns i hi ha sonat. La raó és que l’amplificador operatiu és completament de bucle obert abans d’encendre el díode i la seva sortida s’acosta a la tensió d’alimentació negativa, de manera que alguns dels seus transistors interns han d’estar en estat de saturació profunda o d’apagat profund. Quan l'entrada creua zero, els transistors que es troben en l'estat de "son profund" primer es "desperten" i, després, la tensió de sortida s'eleva al díode a la velocitat de gir.

A freqüències més baixes, la velocitat d'augment del senyal d'entrada no és elevada, de manera que els efectes d'aquests processos no es mostren (com és el cas de 100 k més amunt) i, després que la freqüència sigui alta, la velocitat del senyal a l'entrada és gran, així "desperta" el transistor. El voltatge o el corrent d’excitació augmentarà, cosa que provoca el timbre.

Pas 9:

5 MHz. Bàsicament no hi ha cap rectificació a aquesta freqüència.

Pas 10: Conclusió

Basant-se en els experiments anteriors, es poden extreure les conclusions següents:

1. Quan la freqüència és molt baixa, la no linealitat del díode s'elimina per la retroalimentació negativa de la profunditat de l'amplificador operatiu i qualsevol circuit pot obtenir un bon efecte de rectificació.

2. si voleu aconseguir una rectificació de precisió de freqüència més alta, el circuit d'un tub no és acceptable.

3. fins i tot amb circuits de doble tub, la velocitat de rotació i l’amplada de banda de l’amplificador operatiu afectaran greument la precisió de rectificació a freqüències més altes. Aquest experiment produeix una relació empírica en determinades condicions: si cal que la plana de la sortida sigui de 3 dB, l’amplada de banda de circuit tancat (no la GBW de l’amplificador operatiu) és almenys tres vegades superior al senyal més alt freqüència. Com que l’amplada de banda de circuit tancat del circuit sempre és inferior o igual al GBW de l’amplificador operatiu, la rectificació de precisió del senyal d’alta freqüència requereix un amplificador operatiu GBW molt alt.

Això també és un requisit per a una planitud de sortida de 3 dB. Si es requereix una major planitud de sortida a la banda del senyal d’entrada, la resposta de freqüència de l’amplificador operatiu serà més alta.

Els resultats anteriors només es van obtenir en les condicions específiques d’aquest experiment i no es va tenir en compte la velocitat de rotació de l’amplificador operatiu i, òbviament, la velocitat de rotació és aquí un factor molt important. Per tant, si aquesta relació és aplicable sota altres condicions, l'autor no s'atreveix a jutjar. Com tenir en compte la taxa de reducció és també la següent qüestió a tractar.

No obstant això, al circuit de rectificació de precisió, l’amplada de banda de l’amplificador operatiu ha de ser molt més gran que la freqüència més alta del senyal.