Експеримент за прецизно коригиране: 11 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Наскоро направих експеримент върху прецизна верига за коригиране и направих някои груби заключения. Като се има предвид, че прецизната токоизправителна верига е обща схема, резултатите от този експеримент могат да предоставят известна справочна информация.

Експерименталната схема е следната. Операционният усилвател е AD8048, основните параметри са: голяма честотна лента на сигнала от 160MHz, скорост на нарастване от 1000V / us. Диодът е SD101, диод на Шотки с обратно време за възстановяване 1ns. Всички стойности на резистора се определят позовавайки се на информационния лист AD8048.

Етап 1:

Първата стъпка от експеримента: изключете D2 в горната верига, късо съединение D1 и открийте голямата честотна характеристика на сигнала на самия операционен усилвател. Пикът на входния сигнал се поддържа на около 1V, честотата се променя от 1MHz на 100MHz, амплитудите на входа и изхода се измерват с осцилоскоп и се изчислява усилването на напрежението. Резултатите са следните:

В честотния диапазон от 1M до 100M, формата на вълната няма забележими значителни изкривявания.

Промените в усилването са следните: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Може да се види, че честотата на изключване на големия сигнал от 3 dB на този операционен усилвател е около малко повече от 100 MHz. Този резултат е основно в съответствие с голямата крива на честотната характеристика на сигнала, дадена в ръководството на AD8048.

Стъпка 2:

Във втория етап на експеримента бяха добавени два диода SD101A. Амплитудата на входния сигнал остава на около 1V пик при измерване на входа и изхода. След наблюдение на изходната вълна, измервателната функция на осцилоскопа се използва и за измерване на ефективната стойност на входния сигнал и средната за периода на изходния сигнал и изчисляване на тяхното съотношение. Резултатите са следните (данните са честота, изходна средна стойност mV, входяща средноквадратична стойност mV и тяхното съотношение: средна стойност на изхода / среднеквадратична стойност):

100 kHz, 306, 673, 0.45

1MHz, 305, 686, 0.44

5MHz, 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

Вижда се, че веригата може да постигне добро коригиране при ниски честоти, но с увеличаване на честотата точността на коригиране постепенно намалява. Ако изходът се основава на 100 kHz, изходът е спаднал с 3 dB при приблизително 30 MHz.

Ширината на честотната лента за усилване на единството на сигнала на операционния усилвател AD8048 е 160MHz. Усилването на шума на тази верига е 2, така че честотната лента на затворената верига е около 80MHz (описано по-рано, действителният експериментален резултат е малко по-голям от 100MHz). Средният изход на коригирания изход пада с 3 dB, което е приблизително 30 MHz, по-малко от една трета от честотната лента на затворената верига на изпитваната верига. С други думи, ако искаме да направим прецизна токоизправителна верига с плоскост по-малка от 3dB, честотната лента на затворената верига на веригата трябва да бъде поне три пъти по-висока от най-високата честота на сигнала.

По -долу е тестовата форма на вълната. Жълтата форма на вълната е формата на вълната на входния терминал vi, а синята форма на вълната на изходната клема vo.

Стъпка 3:

С увеличаването на честотата периодът на сигнала става все по -малък, а празнината представлява все по -голям дял.

Стъпка 4:

Наблюдавайки изхода на операционния усилвател в този момент (имайте предвид, че не е vo) форма на вълната, може да се установи, че изходната форма на вълната на операционния усилвател има сериозни изкривявания преди и след преминаването на нулевия изход. По -долу са формите на вълните на изхода на операционния усилвател на 1MHz и 10MHz.

Стъпка 5:

Предишната форма на вълната може да бъде сравнена с кръстосаното изкривяване в изходната верига с натискане. Интуитивно обяснение е дадено по -долу:

Когато изходното напрежение е високо, диодът се включва напълно, в този момент той има значително фиксиран спад на напрежението в тръбата, а изходът на операционния усилвател винаги е с един диод по -висок от изходното напрежение. В този момент операционният усилвател работи в състояние на линейно усилване, така че изходната вълна е добра заглавна вълна.

В момента, в който изходният сигнал премине нула, един от двата диода започва да преминава от проводимостта към границата, докато другият преминава от изключено към включено. По време на този преход, импедансът на диода е изключително голям и може да бъде приближен като отворена верига, така че операционният усилвател в този момент не работи в линейно състояние, а близо до отворения контур. Под входното напрежение, операционният усилвател ще промени изходното напрежение с максималната възможна скорост, за да доведе диода в проводимост. Скоростта на нарастване на операционния усилвател обаче е ограничена и е невъзможно да се повиши изходното напрежение, за да накара диода да се включи за миг. В допълнение, диодът има време за преход от включване към изключване или от изключване към включване. Така че има празнина в изходното напрежение. От формата на вълната на изхода на операционния усилвател по-горе може да се види как работата на пресичането на нулата на изхода се "бори" в опит да се промени изходното напрежение. Някои материали, включително учебници, казват, че поради дълбоката отрицателна обратна връзка на операционния усилвател, нелинейността на диода се намалява до оригиналния 1/AF. Всъщност обаче, близо до нулевото пресичане на изходния сигнал, тъй като операционният усилвател е близо до отворения контур, всички формули за отрицателната обратна връзка на операционния усилвател са невалидни и нелинейността на диода не може да бъде анализирана от принцип на отрицателна обратна връзка.

Ако честотата на сигнала бъде допълнително увеличена, проблемът не само в скоростта на нарастване, но и честотната характеристика на самия операционен усилвател се влошава, така че изходната форма на вълната става доста лоша. Фигурата по -долу показва изходната вълна при честота на сигнала 50MHz.

Стъпка 6:

Предишният експеримент се основаваше на операционния усилвател AD8048 и диод SD101. За сравнение направих експеримент за смяна на устройството.

Резултатите са следните:

1. Сменете операционния усилвател с AD8047. Голямата честотна лента на сигнала на операционния усилвател (130MHz) е малко по-ниска от AD8048 (160MHz), скоростта на нарастване също е по-ниска (750V/us, 8048 е 1000V/us), а печалбата с отворен контур е около 1300, което също е по -ниска от 8000 -те 2400..

Експерименталните резултати (честота, изходна средна стойност, входни средноквадратични стойности и съотношението на двете) са следните:

1M, 320, 711, 0.45

10M, 280, 722, 0.39

20M, 210, 712, 0.29

30M, 152, 715, 0.21

Може да се види, че неговото 3dB затихване е по -малко от малко при 20MHz. Пропускателната способност на затворената верига на тази верига е около 65MHz, така че средният спад на изхода на 3dB също е по-малък от една трета от честотната лента на затворената верига на веригата.

2. Заменете SD101 с 2AP9, 1N4148 и т.н., но крайните резултати са сходни, няма съществена разлика, така че няма да ги повтарям тук.

Има и верига, която отваря D2 във веригата, както е показано по -долу.

Стъпка 7:

Важната разлика между него и веригата, използваща два диода (наричана по-нататък двойно-тръбна верига) е, че в двутръбната верига операционният усилвател е само в приблизително отворено състояние близо до пресичането на нулата на сигнала, и тази верига (наричана по-долу като еднотръбна верига) Операцията в средата е в състояние на напълно отворен контур за половината от периода на сигнала. Така че нелинейността му определено е много по-сериозна от двутръбната верига.

По -долу е изходната форма на вълната на тази верига:

100kHz, подобно на верига с две тръби, също има празнина, когато диодът е включен. Трябва да има някои неравности на първоначалното място. Входният сигнал се предава директно през два 200 ома резистора. Тя може да бъде избегната чрез леко подобряване на веригата. Това няма нищо общо с проблемите, които ще обсъдим по -долу. Това е 1MHz.

Стъпка 8:

Тази форма на вълната е ясно различна от двойната тръбна верига. Двутръбната верига има закъснение от около 40 ns при тази честота, а забавянето на тази еднотръбна верига е 80 ns и има звънене. Причината е, че операционният усилвател е напълно отворен, преди диодът да бъде включен, а изходът му е близо до отрицателното захранващо напрежение, така че някои от неговите вътрешни транзистори трябва да са в дълбоко насищане или дълбоко състояние. Когато входът премине нула, транзисторите, които са в състояние на "дълбок сън", първо се "събуждат", а след това изходното напрежение се повишава до диода със скорост на нарастване.

При по -ниски честоти скоростта на нарастване на входния сигнал не е висока, така че ефектите от тези процеси не се показват (както е при 100k по -горе), а след като честотата е висока, скоростта на сигнала на входа е голяма, като по този начин "събуди" транзистора. Възбуждащото напрежение или ток ще се увеличат, което причинява звънене.

Стъпка 9:

5MHz. По принцип няма коригиране на тази честота.

Стъпка 10: Заключение

Въз основа на горните експерименти могат да се направят следните изводи:

1. Когато честотата е много ниска, нелинейността на диода се елиминира чрез отрицателната обратна връзка на дълбочината на усилвателя и всяка верига може да получи добър ефект на коригиране.

2. ако искате да постигнете по-висока честота прецизно коригиране, еднотръбната верига не е приемлива.

3. дори и при двутръбни схеми скоростта на нарастване и честотната лента на операционния усилвател сериозно ще повлияят на точността на коригиране при по-високи честоти. Този експеримент дава емпирична връзка при определени условия: ако се изисква равномерност на изхода да бъде 3 dB, честотната лента на затворената верига на веригата (не GBW на операционния усилвател) е поне три пъти по-голяма от най-високия сигнал честота. Тъй като честотната лента на затворената верига на веригата винаги е по-малка или равна на GBW на операционния усилвател, прецизното коригиране на високочестотния сигнал изисква много висок операционен усилвател GBW.

Това също е изискване за плоскост на изхода от 3 dB. Ако се изисква по -висока плоскост на изхода в обхвата на входния сигнал, честотната характеристика на операционния усилвател ще бъде по -висока.

Горните резултати са получени само при специфичните условия на този експеримент и скоростта на нарастване на операционния усилвател не е взета предвид, а скоростта на нарастване очевидно е много важен фактор тук. Следователно дали тази връзка е приложима при други условия, авторът не смее да прецени. Следващият въпрос, който трябва да се обсъди, е как да се вземе предвид процентът на убиване.

Въпреки това, в схемата за прецизно коригиране, честотната лента на операционния усилвател трябва да бъде много по -голяма от най -високата честота на сигнала.