Ein Experiment zur Präzisionskorrektur - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Ich habe kürzlich ein Experiment mit einer Präzisionsgleichrichtungsschaltung durchgeführt und einige grobe Schlussfolgerungen gezogen. Da es sich bei der Präzisionsgleichrichterschaltung um eine übliche Schaltung handelt, können die Ergebnisse dieses Experiments einige Referenzinformationen liefern.

Die experimentelle Schaltung ist wie folgt. Der Operationsverstärker ist AD8048, die wichtigsten Parameter sind: große Signalbandbreite von 160 MHz, Anstiegsgeschwindigkeit von 1000 V / us. Die Diode ist eine SD101, Schottky-Diode mit einer Sperrverzögerungszeit von 1ns. Alle Widerstandswerte werden anhand des AD8048-Datenblatts bestimmt.

Schritt 1:

Der erste Schritt des Experiments: Trennen Sie D2 in der obigen Schaltung, schließen Sie D1 kurz und detektieren Sie den Großsignal-Frequenzgang des Operationsverstärkers selbst. Der Spitzenwert des Eingangssignals wird bei etwa 1 V gehalten, die Frequenz wird von 1 MHz auf 100 MHz geändert, die Eingangs- und Ausgangsamplituden werden mit einem Oszilloskop gemessen und die Spannungsverstärkung wird berechnet. Die Ergebnisse sind wie folgt:

Im Frequenzbereich von 1M bis 100M weist die Wellenform keine beobachtbare signifikante Verzerrung auf.

Die Verstärkungsänderungen sind wie folgt: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Es ist zu erkennen, dass die 3-dB-Grenzfrequenz dieses Operationsverstärkers mit geschlossenem Regelkreis für große Signale etwa etwas mehr als 100 MHz beträgt. Dieses Ergebnis stimmt im Wesentlichen mit der Kurve des Großsignal-Frequenzgangs überein, die im Handbuch des AD8048 angegeben ist.

Schritt 2:

Im zweiten Schritt des Experiments wurden zwei Dioden SD101A hinzugefügt. Die Amplitude des Eingangssignals bleibt bei etwa 1 V Spitze, während der Eingang und Ausgang gemessen werden. Nach der Beobachtung der Ausgangswellenform wird die Messfunktion des Oszilloskops auch verwendet, um den Effektivwert des Eingangssignals und den Periodenmittelwert des Ausgangssignals zu messen und ihr Verhältnis zu berechnen. Die Ergebnisse sind wie folgt (Daten sind Frequenz, Ausgangsmittelwert mV, Eingangseffektivwert mV und ihr Verhältnis: Ausgangsmittelwert / Eingangseffektivwert):

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

Es ist ersichtlich, dass die Schaltung bei niedrigen Frequenzen eine gute Gleichrichtung erreichen kann, aber mit zunehmender Frequenz nimmt die Gleichrichtungsgenauigkeit allmählich ab. Beruht die Ausgabe auf 100 kHz, ist die Ausgabe bei ca. 30 MHz um 3 dB abgesunken.

Die Großsignal-Bandbreite mit Einheitsverstärkung des Operationsverstärkers AD8048 beträgt 160 MHz. Die Rauschverstärkung dieser Schaltung beträgt 2, so dass die Bandbreite des geschlossenen Regelkreises etwa 80 MHz beträgt (das früher beschriebene tatsächliche experimentelle Ergebnis ist etwas größer als 100 MHz). Der durchschnittliche Ausgang des gleichgerichteten Ausgangs fällt um 3 dB ab, was ungefähr 30 MHz entspricht, weniger als ein Drittel der Regelkreisbandbreite der getesteten Schaltung. Mit anderen Worten, wenn wir eine Präzisionsgleichrichterschaltung mit einer Flachheit von weniger als 3 dB herstellen möchten, sollte die Regelkreisbandbreite der Schaltung mindestens dreimal höher sein als die höchste Frequenz des Signals.

Unten ist die Testwellenform. Die gelbe Wellenform ist die Wellenform des Eingangsanschlusses vi, und die blaue Wellenform ist die Wellenform des Ausgangsanschlusses vo.

Schritt 3:

Mit zunehmender Frequenz wird die Signalperiode immer kleiner und die Lücke macht einen zunehmenden Anteil aus.

Schritt 4:

Betrachtet man den Ausgang des Operationsverstärkers zu diesem Zeitpunkt (beachten Sie, dass es sich nicht um vo handelt), kann festgestellt werden, dass die Ausgangswellenform des Operationsverstärkers vor und nach dem Nulldurchgang des Ausgangs eine starke Verzerrung aufweist. Unten sind die Wellenformen am Ausgang des Operationsverstärkers bei 1MHz und 10MHz.

Schritt 5:

Die vorherige Wellenform kann mit der Crossover-Verzerrung in der Gegentakt-Ausgangsschaltung verglichen werden. Nachfolgend eine intuitive Erklärung:

Wenn die Ausgangsspannung hoch ist, wird die Diode vollständig eingeschaltet, wobei sie an diesem Punkt einen im Wesentlichen festen Röhrenspannungsabfall aufweist, und der Ausgang des Operationsverstärkers ist immer eine Diode höher als die Ausgangsspannung. An diesem Punkt arbeitet der Operationsverstärker in einem linearen Verstärkungszustand, sodass die Ausgangswellenform eine gute Kopfwellenform ist.

In dem Moment, in dem das Ausgangssignal Null durchquert, beginnt eine der beiden Dioden vom Leiten zum Abschalten zu gehen, während die andere vom Aus- zum Ein-Zustand übergeht. Während dieses Übergangs ist die Impedanz der Diode extrem groß und kann als offener Stromkreis angenähert werden, sodass der Operationsverstärker zu diesem Zeitpunkt nicht in einem linearen Zustand, sondern nahe der offenen Schleife arbeitet. Unter der Eingangsspannung ändert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung mit der maximal möglichen Rate, um die Diode in den leitenden Zustand zu bringen. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Operationsverstärkers ist jedoch begrenzt, und es ist unmöglich, die Ausgangsspannung zu erhöhen, um die Diode sofort einzuschalten. Außerdem hat die Diode eine Übergangszeit von Ein nach Aus oder von Aus nach Ein. Es gibt also eine Lücke in der Ausgangsspannung. Aus der Wellenform des Ausgangs des Operationsverstärkers oben ist ersichtlich, wie der Betrieb des Nulldurchgangs des Ausgangs beim Versuch, die Ausgangsspannung zu ändern, "kämpft". Einige Materialien, einschließlich Lehrbüchern, sagen, dass aufgrund der tiefen negativen Rückkopplung des Operationsverstärkers die Nichtlinearität der Diode auf das ursprüngliche 1/AF reduziert wird. Tatsächlich sind jedoch in der Nähe des Nulldurchgangs des Ausgangssignals alle Formeln für die negative Rückkopplung des Operationsverstärkers ungültig, da sich der Operationsverstärker in der Nähe der offenen Schleife befindet, und die Nichtlinearität der Diode kann nicht durch die analysiert werden negatives Rückkopplungsprinzip.

Wenn die Signalfrequenz weiter erhöht wird, besteht nicht nur das Problem der Anstiegsgeschwindigkeit, sondern auch der Frequenzgang des Operationsverstärkers selbst verschlechtert sich, sodass die Ausgangswellenform ziemlich schlecht wird. Die folgende Abbildung zeigt die Ausgangswellenform bei einer Signalfrequenz von 50 MHz.

Schritt 6:

Das vorherige Experiment basierte auf dem Operationsverstärker AD8048 und der Diode SD101. Zum Vergleich habe ich ein Experiment gemacht, um das Gerät zu ersetzen.

Die Ergebnisse sind wie folgt:

1. Ersetzen Sie den Operationsverstärker durch AD8047. Die große Signalbandbreite des Operationsverstärkers (130MHz) ist etwas niedriger als die des AD8048 (160MHz), die Anstiegsrate ist ebenfalls niedriger (750V/us, 8048 ist 1000V/us) und die Open-Loop-Verstärkung beträgt etwa 1300, was ebenfalls niedriger als die 2400 des 8048..

Die experimentellen Ergebnisse (Frequenz, Ausgangsmittelwert, Eingangseffektivwert und das Verhältnis der beiden) sind wie folgt:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Es ist zu erkennen, dass seine 3dB-Dämpfung bei 20MHz weniger als wenig beträgt. Die Regelkreisbandbreite dieser Schaltung beträgt etwa 65 MHz, sodass der durchschnittliche Ausgangsabfall von 3 dB ebenfalls weniger als ein Drittel der Regelkreisbandbreite der Schaltung beträgt.

2. Ersetzen Sie SD101 durch 2AP9, 1N4148 usw., aber die Endergebnisse sind ähnlich, es gibt keinen wesentlichen Unterschied, daher werde ich sie hier nicht wiederholen.

Es gibt auch einen Stromkreis, der den D2 im Stromkreis öffnet, wie unten gezeigt.

Schritt 7:

Der wesentliche Unterschied zur Schaltung mit zwei Dioden (im Folgenden als Doppelröhrenschaltung bezeichnet) besteht darin, dass sich der Operationsverstärker bei der Doppelröhrenschaltung nur annähernd in einem offenen Regelkreis nahe dem Nulldurchgang des Signals befindet, und diese Schaltung (im Folgenden als Einröhrenschaltung bezeichnet) Der Betrieb in der Mitte befindet sich für die Hälfte der Signalperiode in einem vollständig offenen Regelkreis. Seine Nichtlinearität ist also definitiv viel schwerwiegender als die der Doppelröhrenschaltung.

Unten ist die Ausgangswellenform dieser Schaltung:

100kHz, ähnlich einer Doppelröhrenschaltung, hat auch eine Lücke, wenn die Diode eingeschaltet ist. An der ursprünglichen Stelle sollten einige Unebenheiten vorhanden sein. Das Eingangssignal wird direkt über zwei 200 Ohm Widerstände übertragen. Dies kann durch eine geringfügige Verbesserung der Schaltung vermieden werden. Es hat nichts mit den Problemen zu tun, die wir im Folgenden besprechen werden. Es ist 1MHz.

Schritt 8:

Diese Wellenform unterscheidet sich deutlich von der Doppelröhrenschaltung. Die Doppelröhrenschaltung hat bei dieser Frequenz eine Verzögerung von etwa 40 ns, und die Verzögerung dieser Einzelröhrenschaltung beträgt 80 ns, und es kommt zu einem Nachschwingen. Der Grund dafür ist, dass der Operationsverstärker vollständig offen ist, bevor die Diode eingeschaltet wird, und sein Ausgang nahe der negativen Versorgungsspannung liegt, sodass sich einige seiner internen Transistoren in einer tiefen Sättigung oder einem tiefen Aus-Zustand befinden müssen. Wenn der Eingang Null durchquert, werden die Transistoren, die sich im "Tiefschlaf"-Zustand befinden, zuerst "aufwachen", und dann wird die Ausgangsspannung mit der Anstiegsgeschwindigkeit an der Diode angehoben.

Bei niedrigeren Frequenzen ist die Anstiegsrate des Eingangssignals nicht hoch, so dass die Auswirkungen dieser Prozesse nicht gezeigt werden (wie bei 100k oben), und nachdem die Frequenz hoch ist, ist die Signalrate am Eingang groß, wodurch der Transistor "aufgeweckt" wird. Die Erregungsspannung oder der Erregerstrom wird erhöht, was ein Überschwingen verursacht.

Schritt 9:

5MHz. Bei dieser Frequenz findet grundsätzlich keine Gleichrichtung statt.

Schritt 10: Fazit

Aus den obigen Experimenten lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

1. Wenn die Frequenz sehr niedrig ist, wird die Nichtlinearität der Diode durch die negative Rückkopplung der Operationsverstärkertiefe beseitigt, und jede Schaltung kann einen guten Gleichrichtungseffekt erzielen.

2. Wenn Sie eine Präzisionsgleichrichtung mit höherer Frequenz erreichen möchten, ist eine Einröhrenschaltung nicht akzeptabel.

3. Selbst bei Doppelröhrenschaltungen beeinträchtigen die Anstiegsrate und die Bandbreite des Operationsverstärkers die Gleichrichtungsgenauigkeit bei höheren Frequenzen ernsthaft. Dieses Experiment liefert unter bestimmten Bedingungen eine empirische Beziehung: Wenn die Flachheit des Ausgangs 3 dB betragen soll, ist die Regelkreisbandbreite (nicht die GBW des Operationsverstärkers) mindestens dreimal größer als das höchste Signal Frequenz. Da die Bandbreite der geschlossenen Schleife der Schaltung immer kleiner oder gleich der GBW des Operationsverstärkers ist, erfordert die Präzisionsgleichrichtung des Hochfrequenzsignals einen sehr hohen GBW-Operationsverstärker.

Dies ist auch eine Voraussetzung für eine Ausgangsflachheit von 3 dB. Wenn im Eingangssignalband eine höhere Ausgangsflachheit erforderlich ist, ist der Frequenzgang des Operationsverstärkers höher.

Die obigen Ergebnisse wurden nur unter den spezifischen Bedingungen dieses Experiments erhalten, und die Anstiegsgeschwindigkeit des Operationsverstärkers wurde nicht berücksichtigt, und die Anstiegsgeschwindigkeit ist hier offensichtlich ein sehr wichtiger Faktor. Ob diese Beziehung unter anderen Bedingungen anwendbar ist, wagt der Autor daher nicht zu beurteilen. Wie die Anstiegsrate zu berücksichtigen ist, ist auch die nächste zu diskutierende Frage.

In der Präzisionsgleichrichtungsschaltung sollte die Bandbreite des Operationsverstärkers jedoch viel größer sein als die höchste Frequenz des Signals.