Een precisie-rectificatie-experiment: 11 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Ik heb onlangs een experiment gedaan met een precisie-rectificatiecircuit en heb een aantal ruwe conclusies getrokken. Aangezien het precisiegelijkrichtercircuit een gemeenschappelijk circuit is, kunnen de resultaten van dit experiment enige referentie-informatie verschaffen.

Het experimentele circuit is als volgt. De operationele versterker is AD8048, de belangrijkste parameters zijn: grote signaalbandbreedte van 160MHz, zwenksnelheid van 1000V / us. De diode is een SD101, Schottky-diode met een omgekeerde hersteltijd van 1ns. Alle weerstandswaarden worden bepaald aan de hand van het AD8048-gegevensblad.

Stap 1:

De eerste stap van het experiment: ontkoppel D2 in het bovenstaande circuit, kortsluit D1 en detecteer de grote signaalfrequentierespons van de operationele versterker zelf. De piek van het ingangssignaal wordt op ongeveer 1V gehouden, de frequentie wordt gewijzigd van 1 MHz naar 100 MHz, de ingangs- en uitgangsamplitudes worden gemeten met een oscilloscoop en de spanningsversterking wordt berekend. De resultaten zijn als volgt:

In het frequentiebereik van 1M tot 100M heeft de golfvorm geen waarneembare significante vervorming.

De versterkingsveranderingen zijn als volgt: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Het is te zien dat de 3 dB-afsnijfrequentie van het grote signaal met gesloten lus van deze opamp ongeveer iets meer dan 100 MHz is. Dit resultaat is in principe in lijn met de grote signaalfrequentieresponscurve die in de AD8048-handleiding wordt gegeven.

Stap 2:

In de tweede stap van het experiment werden twee diodes SD101A toegevoegd. De amplitude van het ingangssignaal blijft rond de 1V piek tijdens het meten van de ingang en uitgang. Na het observeren van de uitgangsgolfvorm, wordt de meetfunctie van de oscilloscoop ook gebruikt om de effectieve waarde van het ingangssignaal en het periodegemiddelde van het uitgangssignaal te meten en hun verhouding te berekenen. De resultaten zijn als volgt (gegevens zijn frequentie, outputgemiddelde mV, input rms mV en hun verhouding: outputgemiddelde / input rms):

100 kHz, 306, 673, 0,45

1 MHz, 305, 686, 0,44

5MHz, 301, 679, 0,44

10 MHz, 285, 682, 0,42

20MHz, 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

Het is te zien dat de schakeling een goede rectificatie kan bereiken bij lage frequenties, maar naarmate de frequentie toeneemt, neemt de rectificatienauwkeurigheid geleidelijk af. Als de output is gebaseerd op 100 kHz, is de output bij ongeveer 30 MHz met 3 dB gedaald.

De bandbreedte voor eenheidsversterking met groot signaal van de AD8048 opamp is 160 MHz. De ruisversterking van dit circuit is 2, dus de bandbreedte van de gesloten lus is ongeveer 80 MHz (eerder beschreven, het werkelijke experimentele resultaat is iets groter dan 100 MHz). De gemiddelde output van de gelijkgerichte output daalt met 3 dB, wat ongeveer 30 MHz is, minder dan een derde van de closed-loop-bandbreedte van het te testen circuit. Met andere woorden, als we een precisiegelijkrichtercircuit willen maken met een vlakheid van minder dan 3dB, moet de gesloten-lusbandbreedte van het circuit minstens drie keer hoger zijn dan de hoogste frequentie van het signaal.

Hieronder is de testgolfvorm. De gele golfvorm is de golfvorm van de ingangsklem vi en de blauwe golfvorm is de golfvorm van de uitgangsklem vo.

Stap 3:

Naarmate de frequentie toeneemt, wordt de signaalperiode kleiner en kleiner en neemt de kloof een steeds groter deel voor zijn rekening.

Stap 4:

Als we de output van de opamp op dit moment observeren (merk op dat het geen vo is) golfvorm, kan worden vastgesteld dat de uitgangsgolfvorm van de opamp ernstige vervorming heeft voor en na de nuldoorgang van de output. Hieronder staan de golfvormen aan de uitgang van de opamp op 1MHz en 10MHz.

Stap 5:

De vorige golfvorm kan worden vergeleken met de crossover-vervorming in het push-pull-uitgangscircuit. Hieronder volgt een intuïtieve uitleg:

Wanneer de uitgangsspanning hoog is, is de diode volledig ingeschakeld, op welk punt deze een vrijwel vaste buisspanningsval heeft, en de uitgang van de opamp is altijd één diode hoger dan de uitgangsspanning. Op dit punt werkt de opamp in een lineaire versterkingstoestand, dus de uitgangsgolfvorm is een goede kopgolf.

Op het moment dat het uitgangssignaal nul overschrijdt, begint een van de twee diodes van de geleiding naar de afsnijding te gaan, terwijl de andere overgaat van uit naar aan. Tijdens deze overgang is de impedantie van de diode extreem groot en kan deze worden benaderd als een open circuit, dus de opamp werkt op dit moment niet in een lineaire toestand, maar dicht bij de open lus. Onder de ingangsspanning zal de opamp de uitgangsspanning met de maximaal mogelijke snelheid veranderen om de diode in geleiding te brengen. De zwenksnelheid van de opamp is echter beperkt en het is onmogelijk om de uitgangsspanning te verhogen om de diode in een oogwenk in te schakelen. Daarnaast heeft de diode een overgangstijd van aan naar uit of van uit naar aan. Er is dus een gat in de uitgangsspanning. Uit de golfvorm van de uitgang van de opamp hierboven kan worden gezien hoe de werking van de nuldoorgang van de uitgang "worstelt" in een poging om de uitgangsspanning te veranderen. Sommige materialen, waaronder studieboeken, zeggen dat vanwege de diepe negatieve feedback van de opamp, de niet-lineariteit van de diode wordt teruggebracht tot de originele 1/AF. Echter, in de buurt van de nuldoorgang van het uitgangssignaal, aangezien de opamp zich dicht bij de open lus bevindt, zijn alle formules voor de negatieve feedback van de opamp ongeldig en kan de niet-lineariteit van de diode niet worden geanalyseerd door de principe van negatieve feedback.

Als de signaalfrequentie verder wordt verhoogd, is niet alleen het slew rate-probleem, maar wordt ook de frequentierespons van de opamp zelf verslechterd, zodat de uitgangsgolfvorm behoorlijk slecht wordt. De onderstaande afbeelding toont de uitgangsgolfvorm bij een signaalfrequentie van 50 MHz.

Stap 6:

Het vorige experiment was gebaseerd op de opamp AD8048 en diode SD101. Ter vergelijking deed ik een experiment om het apparaat te vervangen.

De resultaten zijn als volgt:

1. Vervang de opamp door AD8047. De grote signaalbandbreedte van de opamp (130MHz) is iets lager dan die van de AD8048 (160MHz), de slew rate is ook lager (750V/us, 8048 is 1000V/us), en de open-loop gain is ongeveer 1300, wat ook lager dan de 2400 van de 8048..

De experimentele resultaten (frequentie, outputgemiddelde, input rms en de verhouding van beide) zijn als volgt:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0.39

20M, 210, 712, 0.29

30M, 152, 715, 0,21

Het is te zien dat de demping van 3dB minder is dan een beetje bij 20MHz. De closed-loop-bandbreedte van dit circuit is ongeveer 65 MHz, dus de gemiddelde outputdaling van 3 dB is ook minder dan een derde van de closed-loop-bandbreedte van het circuit.

2. Vervang SD101 door 2AP9, 1N4148, enz., maar de uiteindelijke resultaten zijn vergelijkbaar, er is geen wezenlijk verschil, dus ik zal ze hier niet herhalen.

Er is ook een circuit dat de D2 in het circuit opent zoals hieronder weergegeven.

Stap 7:

Het belangrijke verschil tussen het en het circuit dat twee diodes gebruikt (hierna het circuit met dubbele buizen genoemd) is dat in het circuit met dubbele buizen de operationele versterker zich slechts in een ongeveer open-lustoestand bevindt nabij de nuldoorgang van het signaal, en dit circuit (hierna een circuit met één buis genoemd) De werking in het midden bevindt zich gedurende de helft van de signaalperiode in een volledig open lusstatus. De niet-lineariteit ervan is dus beslist veel ernstiger dan het circuit met dubbele buizen.

Hieronder is de uitgangsgolfvorm van dit circuit:

100 kHz, vergelijkbaar met een circuit met twee buizen, heeft ook een opening wanneer de diode is ingeschakeld. Op de originele plek moeten er wat hobbels zitten. Het ingangssignaal wordt rechtstreeks verzonden via twee weerstanden van 200 ohm. Het kan worden vermeden door het circuit iets te verbeteren. Het heeft niets te maken met de problemen die we hieronder zullen bespreken. Het is 1 MHz.

Stap 8:

Deze golfvorm is duidelijk anders dan het circuit met twee buizen. Het circuit met twee buizen heeft een vertraging van ongeveer 40 ns bij deze frequentie, en de vertraging van dit circuit met één buis is 80 ns, en er is een belsignaal. De reden is dat de opamp volledig open is voordat de diode wordt ingeschakeld en dat de uitgang dicht bij de negatieve voedingsspanning ligt, dus sommige van zijn interne transistors moeten zich in een diepe verzadiging of een diepe uit-toestand bevinden. Wanneer de ingang nul overschrijdt, worden de transistors die zich in de "diepe slaap"-toestand bevinden eerst "wakker" en vervolgens wordt de uitgangsspanning met de slew rate naar de diode verhoogd.

Bij lagere frequenties is de stijgsnelheid van het ingangssignaal niet hoog, dus de effecten van deze processen worden niet getoond (zoals het geval is bij 100k hierboven), en nadat de frequentie hoog is, is de signaalsnelheid aan de ingang groot, waardoor de transistor "wakker" wordt. De bekrachtigingsspanning of -stroom zal toenemen, waardoor het rinkelen.

Stap 9:

5MHz. Op deze frequentie is er in principe geen rectificatie.

Stap 10: Conclusie

Op basis van bovenstaande experimenten kunnen de volgende conclusies worden getrokken:

1. Wanneer de frequentie erg laag is, wordt de niet-lineariteit van de diode geëlimineerd door de negatieve feedback van de opamp-diepte en kan elk circuit een goed rectificatie-effect krijgen.

2. als u een nauwkeurigere rectificatie met een hogere frequentie wilt bereiken, is een circuit met één buis niet acceptabel.

3. zelfs met circuits met twee buizen, zullen de slew rate en bandbreedte van de opamp de rectificatienauwkeurigheid bij hogere frequenties ernstig beïnvloeden. Dit experiment levert onder bepaalde omstandigheden een empirische relatie op: als de vlakheid van de output 3 dB moet zijn, is de closed-loop-bandbreedte van het circuit (niet de GBW van de opamp) minstens drie keer groter dan het hoogste signaal frequentie. Aangezien de gesloten-lusbandbreedte van het circuit altijd kleiner is dan of gelijk is aan de GBW van de opamp, vereist de nauwkeurige gelijkrichting van het hoogfrequente signaal een zeer hoge GBW opamp.

Dit is ook een vereiste voor een uitgangsvlakheid van 3 dB. Als een hogere uitgangsvlakheid vereist is in de ingangssignaalband, zal de frequentierespons van de opamp hoger zijn.

De bovenstaande resultaten werden alleen verkregen onder de specifieke omstandigheden van dit experiment en er werd geen rekening gehouden met de slew rate van de opamp, en de slew rate is hier duidelijk een zeer belangrijke factor. Of deze relatie dan ook onder andere voorwaarden van toepassing is, durft de auteur niet te beoordelen. Hoe de slew rate te beschouwen is ook de volgende vraag die moet worden besproken.

In het precisie-rectificatiecircuit moet de bandbreedte van de opamp echter veel groter zijn dan de hoogste frequentie van het signaal.