Bir Hassas Düzeltme Deneyi: 11 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Yakın zamanda bir hassas düzeltme devresi üzerinde bir deney yaptım ve bazı kaba sonuçlar aldım. Hassas doğrultucu devresinin ortak bir devre olduğu düşünüldüğünde bu deneyin sonuçları bazı referans bilgileri sağlayabilir.

Deney devresi aşağıdaki gibidir. İşlemsel yükselteç AD8048'dir, ana parametreler şunlardır: 160MHz'lik büyük sinyal bant genişliği, 1000V / us dönüş hızı. Diyot, 1ns geri kazanım süresine sahip bir SD101, Schottky diyotudur. Tüm direnç değerleri, AD8048 veri sayfasına başvurularak belirlenir.

Aşama 1:

Deneyin ilk adımı: yukarıdaki devrede D2'nin bağlantısını kesin, D1'i kısa devre yapın ve işlemsel yükselticinin kendisinin büyük sinyal frekans yanıtını tespit edin. Giriş sinyalinin tepe noktası 1V civarında tutulur, frekans 1MHz'den 100MHz'e değiştirilir, giriş ve çıkış genlikleri bir osiloskop ile ölçülür ve voltaj kazancı hesaplanır. Sonuçlar aşağıdaki gibidir:

1M ila 100M frekans aralığında, dalga biçiminde gözlemlenebilir önemli bir bozulma yoktur.

Kazanç değişiklikleri şu şekildedir: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Bu op ampin büyük sinyal kapalı döngü 3 dB kesme frekansının yaklaşık 100 MHz'den biraz fazla olduğu görülebilir. Bu sonuç temel olarak AD8048 kılavuzunda verilen büyük sinyal frekansı yanıt eğrisi ile uyumludur.

Adım 2:

Deneyin ikinci adımında iki adet SD101A diyot eklenmiştir. Giriş ve çıkış ölçülürken giriş sinyali genliği yaklaşık 1V tepe noktasında kalır. Çıkış dalga biçimini gözlemledikten sonra, giriş sinyalinin etkin değerini ve çıkış sinyalinin periyot ortalamasını ölçmek ve oranlarını hesaplamak için osiloskopun ölçüm fonksiyonu da kullanılır. Sonuçlar aşağıdaki gibidir (veriler frekans, çıkış ortalama mV, giriş rms mV ve bunların oranı: çıkış ortalama / giriş 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

Devrenin düşük frekanslarda iyi bir doğrultma elde edebildiği, ancak frekans arttıkça doğrultma doğruluğunun giderek azaldığı görülebilir. Çıkış 100 kHz'e dayanıyorsa, çıkış yaklaşık 30 MHz'de 3 dB düşmüştür.

AD8048 op amp'in geniş sinyal birliği kazanç bant genişliği 160 MHz'dir. Bu devrenin gürültü kazancı 2'dir, bu nedenle kapalı döngü bant genişliği yaklaşık 80 MHz'dir (daha önce açıklanmıştır, gerçek deneysel sonuç 100 MHz'den biraz daha büyüktür). Düzeltilmiş çıkışın ortalama çıkışı, test edilen devrenin kapalı döngü bant genişliğinin üçte birinden daha az olan yaklaşık 30 MHz olan 3 dB düşer. Yani 3dB'den daha az düzlükte hassas doğrultucu devre yapmak istiyorsak devrenin kapalı çevrim bant genişliği, sinyalin en yüksek frekansından en az üç kat fazla olmalıdır.

Aşağıda test dalga formu verilmiştir. Sarı dalga biçimi, giriş terminali vi'nin dalga biçimidir ve mavi dalga biçimi, çıkış terminali vo'nun dalga biçimidir.

Aşama 3:

Frekans arttıkça, sinyal periyodu küçülür ve küçülür ve boşluk artan bir orana karşılık gelir.

4. Adım:

Bu sırada op amp çıkışını gözlemleyerek (vo olmadığını unutmayın) dalga biçimi, op amp'in çıkış dalga biçiminin çıkış sıfır geçişinden önce ve sonra ciddi distorsiyona sahip olduğu bulunabilir. 1MHz ve 10MHz'de op amp çıkışındaki dalga formları aşağıdadır.

Adım 5:

Önceki dalga biçimi, itme-çekme çıkış devresindeki çapraz bozulma ile karşılaştırılabilir. Aşağıda sezgisel bir açıklama verilmiştir:

Çıkış voltajı yüksek olduğunda, diyot tamamen açılır, bu noktada büyük ölçüde sabit bir tüp voltajı düşüşüne sahiptir ve op amp çıkışı her zaman çıkış voltajından bir diyot daha yüksektir. Bu noktada, op amp doğrusal bir amplifikasyon durumunda çalışır, bu nedenle çıkış dalga biçimi iyi bir başlık dalgasıdır.

Çıkış sinyali sıfırı geçtiği anda iki diyottan biri iletimden kesmeye geçmeye başlarken diğeri kapalıdan açık konuma geçer. Bu geçiş sırasında diyotun empedansı son derece büyüktür ve açık devre olarak tahmin edilebilir, bu nedenle op amp şu anda doğrusal durumda değil, açık döngüye yakındır. Giriş voltajı altında, op amp, diyotu iletime getirmek için çıkış voltajını mümkün olan maksimum oranda değiştirecektir. Bununla birlikte, op amp'in dönüş hızı sınırlıdır ve diyotun bir anda açılmasını sağlamak için çıkış voltajını yükseltmek imkansızdır. Ayrıca diyotun açıktan kapalıya veya kapalıdan açıka geçiş süresi vardır. Yani çıkış voltajında bir boşluk var. Yukarıdaki op amp çıkışının dalga biçiminden, çıkış voltajını değiştirme girişiminde çıkışın sıfır geçişinin çalışmasının nasıl "zorlaştığı" görülebilir. Ders kitapları da dahil olmak üzere bazı materyaller, op amp'in derin negatif geri beslemesi nedeniyle diyotun doğrusal olmama durumunun orijinal 1/AF'ye düştüğünü söylüyor. Bununla birlikte, aslında, çıkış sinyalinin sıfır geçişine yakın bir yerde, op amp açık döngüye yakın olduğundan, op amp'in negatif geri beslemesi için tüm formüller geçersizdir ve diyotun doğrusal olmama durumu tarafından analiz edilemez. Negatif geri besleme ilkesi.

Sinyal frekansı daha da artırılırsa, yalnızca dönüş hızı sorunu değil, aynı zamanda op amp'in frekans yanıtı da bozulur, bu nedenle çıkış dalga biçimi oldukça kötü olur. Aşağıdaki şekil, 50 MHz'lik bir sinyal frekansında çıkış dalga biçimini göstermektedir.

6. Adım:

Önceki deney, op amp AD8048 ve diyot SD101'e dayanıyordu. Karşılaştırma için, cihazı değiştirmek için bir deney yaptım.

Sonuçlar aşağıdaki gibidir:

1. Op amp'i AD8047 ile değiştirin. Op amp'in geniş sinyal bant genişliği (130MHz) AD8048'den (160MHz) biraz daha düşüktür, dönüş hızı da daha düşüktür (750V/us, 8048 1000V/us'dur) ve açık döngü kazancı yaklaşık 1300'dür, bu da 8048'in 2400'ünden daha düşük.

Deneysel sonuçlar (frekans, çıkış ortalaması, giriş rms ve ikisinin oranı) aşağıdaki gibidir:

1M, 320, 711, 0.45

10M, 280, 722, 0.39

20M, 210, 712, 0.29

30M, 152, 715, 0.21

3dB zayıflamasının 20MHz'de biraz daha az olduğu görülebilir. Bu devrenin kapalı döngü bant genişliği yaklaşık 65 MHz'dir, bu nedenle 3dB'lik çıkış ortalama düşüşü de devrenin kapalı döngü bant genişliğinin üçte birinden daha azdır.

2. SD101'i 2AP9, 1N4148 vb. ile değiştirin, ancak nihai sonuçlar benzer, önemli bir fark yok, bu yüzden onları burada tekrar etmeyeceğim.

Ayrıca aşağıda gösterildiği gibi devrede D2'yi açan bir devre vardır.

7. Adım:

Bununla iki diyot kullanan devre arasındaki önemli fark (bundan sonra çift tüplü devre olarak anılacaktır), çift tüplü devrede işlemsel yükselticinin yalnızca sinyalin sıfır geçişine yakın yaklaşık olarak açık döngü durumunda olmasıdır. ve bu devre (bundan sonra tek tüplü devre olarak anılacaktır) Ortadaki işlem, sinyal süresinin yarısı boyunca tamamen açık döngü durumundadır. Dolayısıyla doğrusal olmaması kesinlikle çift tüplü devreden çok daha ciddidir.

Bu devrenin çıkış dalga biçimi aşağıdadır:

100kHz, çift tüp devresine benzer şekilde, diyot açıldığında da bir boşluğa sahiptir. Orijinal yerinde bazı tümsekler olmalıdır. Giriş sinyali, iki adet 200 ohm'luk direnç üzerinden doğrudan iletilir. Devreyi biraz geliştirerek bundan kaçınılabilir. Aşağıda tartışacağımız sorunlarla ilgisi yok. 1MHz'dir.

Adım 8:

Bu dalga biçimi, çift tüp devresinden açıkça farklıdır. Çift tüplü devrenin bu frekansta yaklaşık 40 ns gecikmesi var ve bu tek tüplü devrenin gecikmesi 80 ns ve çalıyor. Bunun nedeni, diyot açılmadan önce op amp'in tamamen açık döngü olması ve çıkışının negatif besleme voltajına yakın olmasıdır, bu nedenle dahili transistörlerinden bazıları derin doygunluk veya derin kapalı durumda olmalıdır. Giriş sıfırı geçtiğinde, "derin uyku" durumunda olan transistörler önce "uyanır" ve ardından çıkış voltajı dönüş hızında diyota yükseltilir.

Daha düşük frekanslarda, giriş sinyalinin yükselme hızı yüksek değildir, bu nedenle bu işlemlerin etkileri gösterilmez (yukarıda 100k'de olduğu gibi) ve frekans yüksek olduktan sonra girişteki sinyal hızı büyüktür., böylece transistörü "uyandırır". Uyarma gerilimi veya akımı artacak ve bu da çınlamaya neden olacaktır.

9. Adım:

5MHz. Bu frekansta temelde hiçbir düzeltme yoktur.

Adım 10: Sonuç

Yukarıdaki deneylere dayanarak, aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir:

1. Frekans çok düşük olduğunda, diyotun doğrusal olmaması, op amp derinliğinin negatif geri beslemesi ile ortadan kaldırılır ve herhangi bir devre iyi bir düzeltme etkisi elde edebilir.

2. Daha yüksek frekanslı hassas düzeltme elde etmek istiyorsanız, tek tüplü devre kabul edilemez.

3. Çift tüplü devrelerde bile, op amp'in dönüş hızı ve bant genişliği, daha yüksek frekanslarda düzeltme doğruluğunu ciddi şekilde etkileyecektir. Bu deney, belirli koşullar altında ampirik bir ilişki verir: çıkışın düzlüğünün 3 dB olması gerekiyorsa, devrenin kapalı döngü bant genişliği (op amp'in GBW'si değil) en yüksek sinyalden en az üç kat daha büyüktür. Sıklık. Devrenin kapalı döngü bant genişliği her zaman op amp'in GBW'sinden küçük veya ona eşit olduğundan, yüksek frekans sinyalinin hassas doğrultulması çok yüksek bir GBW op amp gerektirir.

Bu aynı zamanda 3 dB'lik bir çıktı düzlüğü için de bir gerekliliktir. Giriş sinyali bandında daha yüksek çıkış düzlüğü gerekiyorsa, op amp'in frekans yanıtı daha yüksek olacaktır.

Yukarıdaki sonuçlar yalnızca bu deneyin belirli koşulları altında elde edildi ve op amp'in dönüş hızı dikkate alınmadı ve dönüş hızı burada açıkça çok önemli bir faktördür. Bu nedenle, bu ilişkinin diğer koşullar altında uygulanabilir olup olmadığı, yazar yargılamaya cesaret edemez. Dönüş hızının nasıl dikkate alınacağı da tartışılacak bir sonraki sorudur.

Bununla birlikte, hassas düzeltme devresinde, op amp'in bant genişliği, sinyalin en yüksek frekansından çok daha büyük olmalıdır.