Un esperimento di rettifica di precisione: 11 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Di recente ho fatto un esperimento su un circuito di rettifica di precisione e ho tratto alcune conclusioni approssimative. Considerando che il circuito raddrizzatore di precisione è un circuito comune, i risultati di questo esperimento possono fornire alcune informazioni di riferimento.

Il circuito sperimentale è il seguente. L'amplificatore operazionale è AD8048, i parametri principali sono: ampia larghezza di banda del segnale di 160 MHz, velocità di risposta di 1000 V / us. Il diodo è un SD101, diodo Schottky con un tempo di recupero inverso di 1ns. Tutti i valori dei resistori sono determinati facendo riferimento alla scheda tecnica AD8048.

Passo 1:

Il primo passo dell'esperimento: scollegare D2 nel circuito di cui sopra, cortocircuitare D1 e rilevare l'ampia risposta in frequenza del segnale dell'amplificatore operazionale stesso. Il picco del segnale in ingresso viene mantenuto a circa 1V, la frequenza viene modificata da 1MHz a 100MHz, le ampiezze di ingresso e di uscita vengono misurate con un oscilloscopio e viene calcolato il guadagno di tensione. I risultati sono i seguenti:

Nella gamma di frequenza da 1M a 100M, la forma d'onda non presenta distorsioni significative osservabili.

Le modifiche al guadagno sono le seguenti: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Si può vedere che la frequenza di taglio di 3 dB ad anello chiuso del segnale di questo amplificatore operazionale è di circa poco più di 100 MHz. Questo risultato è sostanzialmente in linea con l'ampia curva di risposta in frequenza del segnale fornita nel manuale AD8048.

Passo 2:

Nella seconda fase dell'esperimento sono stati aggiunti due diodi SD101A. L'ampiezza del segnale di ingresso rimane a circa 1V di picco durante la misurazione dell'ingresso e dell'uscita. Dopo aver osservato la forma d'onda in uscita, la funzione di misurazione dell'oscilloscopio viene utilizzata anche per misurare il valore effettivo del segnale in ingresso e la media del periodo del segnale in uscita e calcolarne il rapporto. I risultati sono i seguenti (i dati sono frequenza, output medio mV, input rms mV e il loro rapporto: output medio / input 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

Si può vedere che il circuito può ottenere una buona rettifica alle basse frequenze, ma all'aumentare della frequenza, la precisione della rettifica diminuisce gradualmente. Se l'uscita è basata su 100 kHz, l'uscita è diminuita di 3 dB a circa 30 MHz.

La larghezza di banda del guadagno dell'unità di segnale di grandi dimensioni dell'amplificatore operazionale AD8048 è di 160 MHz. Il guadagno di rumore di questo circuito è 2, quindi la larghezza di banda ad anello chiuso è di circa 80 MHz (descritto in precedenza, il risultato sperimentale effettivo è leggermente maggiore di 100 MHz). L'uscita media dell'uscita raddrizzata scende di 3 dB, che è circa 30 MHz, meno di un terzo della larghezza di banda ad anello chiuso del circuito in prova. In altre parole, se vogliamo realizzare un circuito raddrizzatore di precisione con una planarità inferiore a 3dB, la larghezza di banda ad anello chiuso del circuito dovrebbe essere almeno tre volte superiore alla frequenza massima del segnale.

Di seguito è riportata la forma d'onda di prova. La forma d'onda gialla è la forma d'onda del terminale di ingresso vi e la forma d'onda blu è la forma d'onda del terminale di uscita vo.

Passaggio 3:

All'aumentare della frequenza, il periodo del segnale diventa sempre più piccolo e il divario rappresenta una proporzione crescente.

Passaggio 4:

Osservando l'uscita dell'amplificatore operazionale in questo momento (notare che non è vo), si può trovare che la forma d'onda di uscita dell'amplificatore operazionale ha una grave distorsione prima e dopo l'incrocio per lo zero dell'uscita. Di seguito sono riportate le forme d'onda all'uscita dell'amplificatore operazionale a 1 MHz e 10 MHz.

Passaggio 5:

La forma d'onda precedente può essere paragonata alla distorsione di crossover nel circuito di uscita push-pull. Di seguito viene fornita una spiegazione intuitiva:

Quando la tensione di uscita è alta, il diodo è completamente acceso, a quel punto ha una caduta di tensione del tubo sostanzialmente fissa e l'uscita dell'amplificatore operazionale è sempre un diodo più alta della tensione di uscita. A questo punto, l'amplificatore operazionale funziona in uno stato di amplificazione lineare, quindi la forma d'onda di uscita è una buona onda di intestazione.

Nel momento in cui il segnale di uscita attraversa lo zero, uno dei due diodi inizia a passare dalla conduzione al cutoff, mentre l'altro passa da off a on. Durante questa transizione, l'impedenza del diodo è estremamente grande e può essere approssimata come un circuito aperto, quindi l'amplificatore operazionale in questo momento non funziona in uno stato lineare, ma vicino all'anello aperto. Sotto la tensione di ingresso, l'amplificatore operazionale cambierà la tensione di uscita alla massima velocità possibile per portare il diodo in conduzione. Tuttavia, la velocità di variazione dell'amplificatore operazionale è limitata ed è impossibile aumentare la tensione di uscita per accendere il diodo in un istante. Inoltre, il diodo ha un tempo di transizione da acceso a spento o da spento a acceso. Quindi c'è una lacuna nella tensione di uscita. Dalla forma d'onda dell'uscita dell'amplificatore operazionale sopra, si può vedere come l'operazione di zero-crossing dell'uscita sia "difficile" nel tentativo di modificare la tensione di uscita. Alcuni materiali, inclusi i libri di testo, affermano che a causa del profondo feedback negativo dell'amplificatore operazionale, la non linearità del diodo è ridotta all'originale 1/AF. Tuttavia, in effetti, in prossimità del passaggio per lo zero del segnale di uscita, poiché l'operazionale è vicino all'anello aperto, tutte le formule per la retroazione negativa dell'amplificatore operazionale non sono valide e la non linearità del diodo non può essere analizzata dal principio di feedback negativo.

Se la frequenza del segnale viene ulteriormente aumentata, non solo il problema della velocità di risposta, ma anche la risposta in frequenza dell'amplificatore operazionale stesso viene degradata, quindi la forma d'onda di uscita diventa piuttosto scadente. La figura seguente mostra la forma d'onda in uscita a una frequenza del segnale di 50 MHz.

Passaggio 6:

L'esperimento precedente era basato sull'amplificatore operazionale AD8048 e sul diodo SD101. Per confronto, ho fatto un esperimento per sostituire il dispositivo.

I risultati sono i seguenti:

1. Sostituire l'amplificatore operazionale con AD8047. L'ampia larghezza di banda del segnale dell'amplificatore operazionale (130 MHz) è leggermente inferiore a quella dell'AD8048 (160 MHz), anche la velocità di risposta è inferiore (750 V/us, 8048 è 1000 V/us) e il guadagno ad anello aperto è di circa 1300, che è anche inferiore al 2400 dell'8048..

I risultati sperimentali (frequenza, output medio, input rms e rapporto tra i due) sono i seguenti:

1M, 320, 711, 0.45

10M, 280, 722, 0.39

20M, 210, 712, 0.29

30M, 152, 715, 0.21

Si può vedere che la sua attenuazione di 3dB è meno di un po' a 20MHz. La larghezza di banda a circuito chiuso di questo circuito è di circa 65 MHz, quindi anche la caduta media in uscita di 3 dB è inferiore a un terzo della larghezza di banda a circuito chiuso del circuito.

2. Sostituire SD101 con 2AP9, 1N4148, ecc., ma i risultati finali sono simili, non ci sono differenze sostanziali, quindi non li ripeterò qui.

C'è anche un circuito che apre il D2 nel circuito come mostrato di seguito.

Passaggio 7:

L'importante differenza tra esso e il circuito che utilizza due diodi (di seguito denominato circuito a doppio tubo) è che nel circuito a doppio tubo, l'amplificatore operazionale è solo in uno stato approssimativamente ad anello aperto vicino allo zero crossing del segnale e questo circuito (di seguito denominato circuito a tubo singolo) L'operazione nel mezzo è in uno stato ad anello completamente aperto per metà del periodo del segnale. Quindi la sua non linearità è sicuramente molto più grave del circuito a doppia valvola.

Di seguito è riportata la forma d'onda di uscita di questo circuito:

100kHz, simile a un circuito a doppio tubo, ha anche uno spazio vuoto quando il diodo è acceso. Dovrebbero esserci dei dossi nella posizione originale. Il segnale in ingresso viene trasmesso direttamente tramite due resistori da 200 ohm. Può essere evitato migliorando leggermente il circuito. Non ha nulla a che fare con i problemi di cui parleremo di seguito. È 1 MHz.

Passaggio 8:

Questa forma d'onda è chiaramente diversa dal circuito a doppio tubo. Il circuito a doppio tubo ha un ritardo di circa 40 ns a questa frequenza, e il ritardo di questo circuito a tubo singolo è di 80 ns e c'è uno squillo. Il motivo è che l'amplificatore operazionale è completamente ad anello aperto prima che il diodo venga acceso e la sua uscita è vicina alla tensione di alimentazione negativa, quindi alcuni dei suoi transistor interni devono essere in profonda saturazione o in stato di spegnimento. Quando l'ingresso attraversa lo zero, i transistor che si trovano nello stato di "sonno profondo" vengono prima "risvegliati", quindi la tensione di uscita viene aumentata al diodo alla velocità di variazione.

A frequenze più basse, la velocità di aumento del segnale di ingresso non è elevata, quindi gli effetti di questi processi non vengono mostrati (come nel caso di 100k sopra), e dopo che la frequenza è alta, la velocità del segnale all'ingresso è grande, "svegliando" così il transistor. La tensione o la corrente di eccitazione aumenterà, causando un ronzio.

Passaggio 9:

5MHz. Non c'è praticamente alcuna rettifica a questa frequenza.

Passaggio 10: conclusione

Sulla base degli esperimenti di cui sopra, si possono trarre le seguenti conclusioni:

1. Quando la frequenza è molto bassa, la non linearità del diodo viene eliminata dal feedback negativo della profondità dell'amplificatore operazionale e qualsiasi circuito può ottenere un buon effetto di rettifica.

2. se si desidera ottenere una rettifica di precisione a frequenza più elevata, il circuito a tubo singolo non è accettabile.

3. anche con circuiti a doppia valvola, la velocità di risposta e la larghezza di banda dell'amplificatore operazionale influiranno seriamente sulla precisione della rettifica alle frequenze più elevate. Questo esperimento produce una relazione empirica in determinate condizioni: se la planarità dell'uscita deve essere di 3 dB, la larghezza di banda ad anello chiuso del circuito (non il GBW dell'amplificatore operazionale) è almeno tre volte maggiore del segnale più alto frequenza. Poiché la larghezza di banda ad anello chiuso del circuito è sempre inferiore o uguale al GBW dell'amplificatore operazionale, la rettifica di precisione del segnale ad alta frequenza richiede un amplificatore operazionale GBW molto elevato.

Questo è anche un requisito per una planarità di uscita di 3 dB. Se è richiesta una maggiore planarità di uscita nella banda del segnale di ingresso, la risposta in frequenza dell'amplificatore operazionale sarà maggiore.

I risultati di cui sopra sono stati ottenuti solo nelle condizioni specifiche di questo esperimento e lo slew rate dell'amplificatore operazionale non è stato considerato, e lo slew rate è ovviamente un fattore molto importante qui. Pertanto, se questa relazione è applicabile in altre condizioni, l'autore non osa giudicare. Come considerare lo slew rate è anche la prossima domanda da discutere.

Tuttavia, nel circuito di rettifica di precisione, la larghezza di banda dell'amplificatore operazionale dovrebbe essere molto maggiore della frequenza più alta del segnale.