Um experimento de retificação de precisão: 11 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Recentemente, fiz um experimento em um circuito de retificação de precisão e tirei algumas conclusões aproximadas. Considerando que o circuito retificador de precisão é um circuito comum, os resultados deste experimento podem fornecer algumas informações de referência.

O circuito experimental é o seguinte. O amplificador operacional é AD8048, os parâmetros principais são: grande largura de banda de sinal de 160 MHz, taxa de variação de 1000V / us. O diodo é um diodo Schottky SD101 com um tempo de recuperação reversa de 1ns. Todos os valores do resistor são determinados por referência à folha de dados AD8048.

Passo 1:

A primeira etapa do experimento: desconecte D2 no circuito acima, faça um curto-circuito em D1 e detecte a grande resposta de frequência de sinal do próprio amplificador operacional. O pico do sinal de entrada é mantido em torno de 1 V, a frequência é alterada de 1 MHz para 100 MHz, as amplitudes de entrada e saída são medidas com um osciloscópio e o ganho de tensão é calculado. Os resultados são os seguintes:

Na faixa de frequência de 1M a 100M, a forma de onda não apresenta distorção significativa observável.

As mudanças de ganho são as seguintes: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Pode-se ver que a frequência de corte de 3 dB em loop fechado de grande sinal deste amplificador operacional é cerca de um pouco mais de 100 MHz. Este resultado está basicamente em linha com a grande curva de resposta de frequência do sinal fornecida no manual do AD8048.

Passo 2:

Na segunda etapa do experimento, dois diodos SD101A foram adicionados. A amplitude do sinal de entrada permanece em torno de 1 V de pico enquanto mede a entrada e a saída. Depois de observar a forma de onda de saída, a função de medição do osciloscópio também é usada para medir o valor efetivo do sinal de entrada e a média do período do sinal de saída, e calcular sua razão. Os resultados são os seguintes (os dados são a frequência, mV médio de saída, mV rms de entrada e sua proporção: média de saída / rms de entrada):

100kHz, 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

Pode-se ver que o circuito pode obter uma boa retificação em baixas frequências, mas à medida que a frequência aumenta, a precisão da retificação diminui gradualmente. Se a saída for baseada em 100 kHz, a saída caiu 3 dB em aproximadamente 30 MHz.

A largura de banda de ganho de unidade de grande sinal do amplificador operacional AD8048 é 160MHz. O ganho de ruído deste circuito é 2, então a largura de banda de malha fechada é de cerca de 80 MHz (descrito anteriormente, o resultado experimental real é ligeiramente maior que 100 MHz). A saída média da saída retificada cai em 3 dB, o que é aproximadamente 30 MHz, menos de um terço da largura de banda de malha fechada do circuito em teste. Em outras palavras, se quisermos fazer um circuito retificador de precisão com uma planura de menos de 3dB, a largura de banda do circuito fechado deve ser pelo menos três vezes maior do que a frequência mais alta do sinal.

Abaixo está a forma de onda de teste. A forma de onda amarela é a forma de onda do terminal de entrada vi, e a forma de onda azul é a forma de onda do terminal de saída vo.

Etapa 3:

À medida que a frequência aumenta, o período do sinal se torna cada vez menor e a lacuna é responsável por uma proporção crescente.

Passo 4:

Observando a forma de onda de saída do amplificador operacional neste momento (observe que não é vo), pode-se descobrir que a forma de onda de saída do amplificador operacional tem distorção severa antes e depois do cruzamento por zero de saída. Abaixo estão as formas de onda na saída do amplificador operacional em 1MHz e 10MHz.

Etapa 5:

A forma de onda anterior pode ser comparada à distorção cruzada no circuito de saída push-pull. Uma explicação intuitiva é fornecida abaixo:

Quando a tensão de saída é alta, o diodo é totalmente ligado, e nesse ponto ele tem uma queda de tensão de tubo substancialmente fixa, e a saída do amplificador operacional é sempre um diodo mais alta do que a tensão de saída. Nesse ponto, o amplificador operacional funciona em um estado de amplificação linear, de modo que a forma de onda de saída é uma boa onda de cabeçalho.

No momento em que o sinal de saída passa de zero, um dos dois diodos começa a passar da condução para o corte, enquanto o outro passa de desligado para ligado. Durante essa transição, a impedância do diodo é extremamente grande e pode ser aproximada como um circuito aberto, de modo que o amplificador operacional neste momento não funciona em um estado linear, mas perto do circuito aberto. Sob a tensão de entrada, o amplificador operacional mudará a tensão de saída na taxa máxima possível para levar o diodo à condução. No entanto, a taxa de variação do amplificador operacional é limitada e é impossível aumentar a tensão de saída para fazer o diodo ligar em um instante. Além disso, o diodo tem um tempo de transição de ligado para desligado ou de desligado para ligado. Portanto, há uma lacuna na tensão de saída. A partir da forma de onda da saída do amplificador operacional acima, pode-se ver como a operação do cruzamento por zero da saída está "lutando" na tentativa de alterar a tensão de saída. Alguns materiais, incluindo livros didáticos, dizem que, devido ao profundo feedback negativo do amplificador operacional, a não linearidade do diodo é reduzida ao 1 / AF original. No entanto, de fato, perto do cruzamento de zero do sinal de saída, uma vez que o amplificador operacional está próximo ao circuito aberto, todas as fórmulas para o feedback negativo do amplificador operacional são inválidas, e a não linearidade do diodo não pode ser analisada pelo princípio de feedback negativo.

Se a frequência do sinal aumentar ainda mais, não será apenas o problema da taxa de variação, mas a resposta de frequência do amplificador operacional em si também será degradada, de modo que a forma de onda de saída torna-se muito ruim. A figura abaixo mostra a forma de onda de saída em uma frequência de sinal de 50MHz.

Etapa 6:

O experimento anterior foi baseado no op amp AD8048 e no diodo SD101. Para efeito de comparação, fiz um experimento para substituir o dispositivo.

Os resultados são os seguintes:

1. Substitua o amplificador operacional por AD8047. A grande largura de banda do amplificador operacional (130 MHz) é ligeiramente menor do que o AD8048 (160 MHz), a taxa de variação também é menor (750 V / us, 8048 é 1000 V / us) e o ganho de malha aberta é de cerca de 1300, que também é inferior a 2400 de 8048..

Os resultados experimentais (frequência, média de saída, rms de entrada e a proporção dos dois) são os seguintes:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Pode-se ver que sua atenuação de 3dB é menor que um pouco em 20MHz. A largura de banda de malha fechada deste circuito é de cerca de 65 MHz, de modo que a queda média de saída de 3dB também é inferior a um terço da largura de banda de malha fechada do circuito.

2. Substitua SD101 por 2AP9, 1N4148, etc., mas os resultados finais são semelhantes, não há diferença substancial, portanto, não os repetirei aqui.

Também existe um circuito que abre o D2 no circuito, conforme mostrado abaixo.

Etapa 7:

A diferença importante entre ele e o circuito usando dois diodos (doravante referido como o circuito de tubo duplo) é que no circuito de tubo duplo, o amplificador operacional está apenas em um estado de circuito aberto próximo ao cruzamento zero do sinal, e este circuito (doravante referido como um circuito de tubo único) A operação no meio está em um estado de loop completamente aberto por metade do período do sinal. Portanto, sua não linearidade é definitivamente muito mais séria do que o circuito de tubo duplo.

Abaixo está a forma de onda de saída deste circuito:

100kHz, semelhante a um circuito de válvula dupla, também tem uma lacuna quando o diodo é ligado. Deve haver algumas saliências no local original. O sinal de entrada é transmitido diretamente por meio de dois resistores de 200 ohms. Isso pode ser evitado melhorando ligeiramente o circuito. Não tem nada a ver com os problemas que discutiremos a seguir. É 1 MHz.

Etapa 8:

Esta forma de onda é claramente diferente do circuito de tubo duplo. O circuito de válvula dupla tem um atraso de cerca de 40 ns nesta frequência, e o atraso desse circuito de válvula única é de 80 ns, e há toque. A razão é que o amplificador operacional está completamente em malha aberta antes que o diodo seja ligado, e sua saída está próxima da tensão de alimentação negativa, então alguns de seus transistores internos devem estar em saturação profunda ou estado totalmente desligado. Quando a entrada passa de zero, os transistores que estão no estado de "sono profundo" são primeiro "acordados" e, em seguida, a tensão de saída é elevada ao diodo na taxa de variação.

Em frequências mais baixas, a taxa de aumento do sinal de entrada não é alta, então os efeitos desses processos não são mostrados (como é o caso com 100k acima), e depois que a frequência é alta, a taxa do sinal na entrada é grande, assim "acordando" o transistor. A tensão ou corrente de excitação aumentará, o que causa o toque.

Etapa 9:

5 MHz. Basicamente, não há retificação nesta frequência.

Etapa 10: Conclusão

Com base nos experimentos acima, as seguintes conclusões podem ser tiradas:

1. Quando a frequência é muito baixa, a não linearidade do diodo é eliminada pelo feedback negativo da profundidade do amplificador operacional, e qualquer circuito pode obter um bom efeito de retificação.

2. se você deseja obter retificação de precisão de frequência mais alta, o circuito de tubo único não é aceitável.

3. mesmo com circuitos de tubo duplo, a taxa de variação e a largura de banda do amplificador operacional afetarão seriamente a precisão de retificação em frequências mais altas. Este experimento produz uma relação empírica sob certas condições: se a planura da saída deve ser 3 dB, a largura de banda do circuito fechado (não o GBW do amplificador operacional) é pelo menos três vezes maior do que o sinal mais alto frequência. Como a largura de banda do circuito fechado é sempre menor ou igual ao GBW do amplificador operacional, a retificação precisa do sinal de alta frequência requer um amplificador operacional GBW muito alto.

Este também é um requisito para um nivelamento de saída de 3 dB. Se for necessário um nivelamento de saída mais alto na banda do sinal de entrada, a resposta de frequência do amplificador operacional será mais alta.

Os resultados acima foram obtidos apenas sob as condições específicas deste experimento, e a taxa de variação do amplificador operacional não foi considerada, e a taxa de variação é obviamente um fator muito importante aqui. Portanto, se essa relação é aplicável em outras condições, o autor não se atreve a julgar. Como considerar a taxa de variação também é a próxima questão a ser discutida.

No entanto, no circuito de retificação de precisão, a largura de banda do amplificador operacional deve ser muito maior do que a frequência mais alta do sinal.