Un experimento de rectificación de precisión: 11 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Recientemente hice un experimento en un circuito de rectificación de precisión y obtuve algunas conclusiones aproximadas. Teniendo en cuenta que el circuito rectificador de precisión es un circuito común, los resultados de este experimento pueden proporcionar información de referencia.

El circuito experimental es el siguiente. El amplificador operacional es AD8048, los parámetros principales son: gran ancho de banda de señal de 160MHz, velocidad de respuesta de 1000V / us. El diodo es un diodo Schottky SD101 con un tiempo de recuperación inverso de 1ns. Todos los valores de resistencia se determinan con referencia a la hoja de datos AD8048.

Paso 1:

El primer paso del experimento: desconecte D2 en el circuito anterior, cortocircuite D1 y detecte la respuesta de frecuencia de señal grande del amplificador operacional en sí. El pico de la señal de entrada se mantiene alrededor de 1 V, la frecuencia se cambia de 1 MHz a 100 MHz, las amplitudes de entrada y salida se miden con un osciloscopio y se calcula la ganancia de voltaje. Los resultados son los siguientes:

En el rango de frecuencia de 1 M a 100 M, la forma de onda no tiene una distorsión significativa observable.

Los cambios de ganancia son los siguientes: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Se puede ver que la frecuencia de corte de 3 dB de circuito cerrado de señal grande de este amplificador operacional es de un poco más de 100 MHz. Este resultado está básicamente en línea con la gran curva de respuesta de frecuencia de la señal dada en el manual del AD8048.

Paso 2:

En el segundo paso del experimento, se agregaron dos diodos SD101A. La amplitud de la señal de entrada permanece en un pico de alrededor de 1 V mientras se mide la entrada y la salida. Después de observar la forma de onda de salida, la función de medición del osciloscopio también se usa para medir el valor efectivo de la señal de entrada y el promedio del período de la señal de salida, y calcular su relación. Los resultados son los siguientes (los datos son frecuencia, mV medio de salida, mV rms de entrada y su relación: promedio de salida / rms de entrada):

100 kHz, 306, 673, 0,45

1 MHz, 305, 686, 0,44

5 MHz, 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

Se puede ver que el circuito puede lograr una buena rectificación a bajas frecuencias, pero a medida que aumenta la frecuencia, la precisión de la rectificación disminuye gradualmente. Si la salida se basa en 100 kHz, la salida se ha reducido en 3 dB a aproximadamente 30 MHz.

El ancho de banda de ganancia unitaria de señal grande del amplificador operacional AD8048 es de 160 MHz. La ganancia de ruido de este circuito es 2, por lo que el ancho de banda de circuito cerrado es de aproximadamente 80 MHz (descrito anteriormente, el resultado experimental real es ligeramente superior a 100 MHz). La salida promedio de la salida rectificada cae en 3 dB, que es aproximadamente 30 MHz, menos de un tercio del ancho de banda de bucle cerrado del circuito bajo prueba. En otras palabras, si queremos hacer un circuito rectificador de precisión con una planitud de menos de 3dB, el ancho de banda de circuito cerrado del circuito debe ser al menos tres veces mayor que la frecuencia más alta de la señal.

A continuación se muestra la forma de onda de prueba. La forma de onda amarilla es la forma de onda del terminal de entrada vi, y la forma de onda azul es la forma de onda del terminal de salida vo.

Paso 3:

A medida que aumenta la frecuencia, el período de la señal se vuelve cada vez más pequeño, y la brecha representa una proporción cada vez mayor.

Paso 4:

Al observar la salida del amplificador operacional en este momento (tenga en cuenta que no es vo) forma de onda, se puede encontrar que la forma de onda de salida del amplificador operacional tiene una distorsión severa antes y después del cruce por cero de salida. A continuación se muestran las formas de onda en la salida del amplificador operacional a 1MHz y 10MHz.

Paso 5:

La forma de onda anterior se puede comparar con la distorsión de cruce en el circuito de salida push-pull. A continuación se ofrece una explicación intuitiva:

Cuando el voltaje de salida es alto, el diodo está completamente encendido, en cuyo punto tiene una caída de voltaje del tubo sustancialmente fija, y la salida del amplificador operacional es siempre un diodo más alto que el voltaje de salida. En este punto, el amplificador operacional funciona en un estado de amplificación lineal, por lo que la forma de onda de salida es una buena onda de encabezado.

En el momento en que la señal de salida cruza cero, uno de los dos diodos comienza a pasar de la conducción al corte, mientras que el otro pasa del apagado al encendido. Durante esta transición, la impedancia del diodo es extremadamente grande y puede aproximarse como un circuito abierto, por lo que el amplificador operacional en este momento no funciona en un estado lineal, sino cerca del circuito abierto. Bajo el voltaje de entrada, el amplificador operacional cambiará el voltaje de salida a la velocidad máxima posible para que el diodo entre en conducción. Sin embargo, la velocidad de respuesta del amplificador operacional es limitada y es imposible aumentar el voltaje de salida para que el diodo se encienda en un instante. Además, el diodo tiene un tiempo de transición de encendido a apagado o de apagado a encendido. Entonces hay una brecha en el voltaje de salida. De la forma de onda de la salida del amplificador operacional anterior, se puede ver cómo la operación del cruce por cero de la salida está "luchando" en un intento de cambiar el voltaje de salida. Algunos materiales, incluidos los libros de texto, dicen que debido a la profunda retroalimentación negativa del amplificador operacional, la no linealidad del diodo se reduce al 1 / AF original. Sin embargo, de hecho, cerca del cruce por cero de la señal de salida, dado que el amplificador operacional está cerca del bucle abierto, todas las fórmulas para la retroalimentación negativa del amplificador operacional son inválidas y la no linealidad del diodo no puede ser analizada por el principio de retroalimentación negativa.

Si la frecuencia de la señal aumenta aún más, no solo es el problema de la velocidad de respuesta, sino que la respuesta de frecuencia del amplificador operacional en sí también se degrada, por lo que la forma de onda de salida se vuelve bastante mala. La siguiente figura muestra la forma de onda de salida a una frecuencia de señal de 50 MHz.

Paso 6:

El experimento anterior se basó en el amplificador operacional AD8048 y el diodo SD101. A modo de comparación, hice un experimento para reemplazar el dispositivo.

Los resultados son los siguientes:

1. Reemplace el amplificador operacional con AD8047. El gran ancho de banda de señal del amplificador operacional (130MHz) es ligeramente más bajo que el AD8048 (160MHz), la velocidad de respuesta también es menor (750V / us, 8048 es 1000V / us) y la ganancia de bucle abierto es de aproximadamente 1300, que también es más bajo que el 2400 del 8048..

Los resultados experimentales (frecuencia, promedio de salida, rms de entrada y la relación de los dos) son los siguientes:

1 M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20 millones, 210, 712, 0,29

30 M, 152, 715, 0,21

Se puede ver que su atenuación de 3dB es menor a un poco a 20MHz. El ancho de banda de bucle cerrado de este circuito es de aproximadamente 65 MHz, por lo que la caída promedio de salida de 3dB también es menos de un tercio del ancho de banda de bucle cerrado del circuito.

2. Reemplaza SD101 con 2AP9, 1N4148, etc., pero los resultados finales son similares, no hay diferencia sustancial, por lo que no los repetiré aquí.

También hay un circuito que abre el D2 en el circuito como se muestra a continuación.

Paso 7:

La diferencia importante entre este y el circuito que utiliza dos diodos (en lo sucesivo denominado circuito de doble tubo) es que en el circuito de doble tubo, el amplificador operacional está solo en un estado de bucle abierto aproximadamente cerca del cruce por cero de la señal., y este circuito (en lo sucesivo denominado circuito de un solo tubo) La operación en el medio está en un estado de bucle completamente abierto durante la mitad del período de la señal. Entonces, su no linealidad es definitivamente mucho más seria que el circuito de doble tubo.

A continuación se muestra la forma de onda de salida de este circuito:

100 kHz, similar a un circuito de doble tubo, también tiene un espacio cuando se enciende el diodo. Debería haber algunos bultos en el lugar original. La señal de entrada se transmite directamente a través de dos resistencias de 200 ohmios. Se puede evitar mejorando ligeramente el circuito. No tiene nada que ver con los problemas que discutiremos a continuación. Es 1MHz.

Paso 8:

Esta forma de onda es claramente diferente del circuito de doble tubo. El circuito de doble tubo tiene un retardo de aproximadamente 40 ns a esta frecuencia, y el retardo de este circuito de un solo tubo es de 80 ns y hay un timbre. La razón es que el amplificador operacional está completamente en bucle abierto antes de que se encienda el diodo, y su salida está cerca del voltaje de suministro negativo, por lo que algunos de sus transistores internos deben estar en estado de saturación profunda o profundo. Cuando la entrada cruza cero, los transistores que están en el estado de "sueño profundo" primero se "despiertan" y luego el voltaje de salida se eleva al diodo a la velocidad de respuesta.

A frecuencias más bajas, la tasa de aumento de la señal de entrada no es alta, por lo que los efectos de estos procesos no se muestran (como es el caso con 100k arriba), y después de que la frecuencia es alta, la tasa de señal en la entrada es grande., así "despertando" el transistor. El voltaje o la corriente de excitación aumentará, lo que provocará un timbre.

Paso 9:

5 MHz. Básicamente, no hay rectificación a esta frecuencia.

Paso 10: Conclusión

Sobre la base de los experimentos anteriores, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

1. Cuando la frecuencia es muy baja, la no linealidad del diodo se elimina por la retroalimentación negativa de la profundidad del amplificador operacional, y cualquier circuito puede obtener un buen efecto de rectificación.

2. Si desea lograr una rectificación de precisión de frecuencia más alta, el circuito de un solo tubo no es aceptable.

3. Incluso con circuitos de doble tubo, la velocidad de respuesta y el ancho de banda del amplificador operacional afectarán seriamente la precisión de la rectificación a frecuencias más altas. Este experimento produce una relación empírica bajo ciertas condiciones: si se requiere que la uniformidad de la salida sea de 3 dB, el ancho de banda de circuito cerrado del circuito (no el GBW del amplificador operacional) es al menos tres veces mayor que la señal más alta frecuencia. Dado que el ancho de banda de circuito cerrado del circuito es siempre menor o igual que el GBW del amplificador operacional, la rectificación de precisión de la señal de alta frecuencia requiere un amplificador operacional GBW muy alto.

Este también es un requisito para una planitud de salida de 3 dB. Si se requiere una mayor uniformidad de salida en la banda de la señal de entrada, la respuesta de frecuencia del amplificador operacional será mayor.

Los resultados anteriores se obtuvieron solo bajo las condiciones específicas de este experimento, y no se consideró la velocidad de respuesta del amplificador operacional, y la velocidad de respuesta es obviamente un factor muy importante aquí. Por tanto, si esta relación es aplicable en otras condiciones, el autor no se atreve a juzgar. Cómo considerar la velocidad de respuesta también es la siguiente pregunta que se discutirá.

Sin embargo, en el circuito de rectificación de precisión, el ancho de banda del amplificador operacional debe ser mucho mayor que la frecuencia más alta de la señal.