Πείραμα διόρθωσης ακριβείας: 11 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Πρόσφατα έκανα ένα πείραμα σε ένα κύκλωμα διόρθωσης ακριβείας και έβγαλα ορισμένα συμπεράσματα. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το κύκλωμα ανορθωτή ακριβείας είναι ένα κοινό κύκλωμα, τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος μπορούν να παρέχουν κάποιες πληροφορίες αναφοράς.

Το πειραματικό κύκλωμα έχει ως εξής. Ο λειτουργικός ενισχυτής είναι AD8048, οι κύριες παράμετροι είναι: μεγάλο εύρος ζώνης σήματος 160MHz, ρυθμός διακοπής 1000V / us. Η δίοδος είναι δίοδος SD101, Schottky με αντίστροφο χρόνο ανάκτησης 1ns. Όλες οι τιμές αντίστασης καθορίζονται με αναφορά στο φύλλο δεδομένων AD8048.

Βήμα 1:

Το πρώτο βήμα του πειράματος: αποσυνδέστε το D2 στο παραπάνω κύκλωμα, βραχυκύκλωμα D1 και εντοπίστε τη μεγάλη απόκριση συχνότητας σήματος του ίδιου του λειτουργικού ενισχυτή. Η κορυφή σήματος εισόδου διατηρείται περίπου 1V, η συχνότητα αλλάζει από 1MHz σε 100MHz, τα πλάτη εισόδου και εξόδου μετρώνται με παλμογράφο και υπολογίζεται το κέρδος τάσης. Τα αποτελέσματα έχουν ως εξής:

Στο εύρος συχνοτήτων από 1Μ έως 100Μ, η κυματομορφή δεν έχει παρατηρήσιμη σημαντική παραμόρφωση.

Οι αλλαγές κέρδους έχουν ως εξής: 1Μ-1.02, 10Μ-1.02, 35Μ-1.06, 50Μ-1.06, 70Μ-1.04, 100Μ-0.79.

Μπορεί να φανεί ότι η συχνότητα διακοπής μεγάλου κλειστού σήματος κλειστού βρόχου 3 dB αυτού του ενισχυτή είναι περίπου λίγο περισσότερο από 100 MHz. Αυτό το αποτέλεσμα είναι βασικά σύμφωνο με τη μεγάλη καμπύλη απόκρισης συχνότητας σήματος που δίνεται στο εγχειρίδιο AD8048.

Βήμα 2:

Στο δεύτερο βήμα του πειράματος, προστέθηκαν δύο δίοδοι SD101A. Το πλάτος του σήματος εισόδου παραμένει στην κορυφή περίπου 1V ενώ μετράται η είσοδος και η έξοδος. Μετά την παρατήρηση της κυματομορφής εξόδου, η λειτουργία μέτρησης του παλμογράφου χρησιμοποιείται επίσης για τη μέτρηση της πραγματικής τιμής του σήματος εισόδου και του μέσου όρου περιόδου του σήματος εξόδου και τον υπολογισμό της αναλογίας τους. Τα αποτελέσματα είναι τα ακόλουθα (τα δεδομένα είναι συχνότητα, μέση έξοδος mV, rms εισόδου mV και η αναλογία τους: μέσος όρος εξόδου / rms εισόδου):

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

Μπορεί να φανεί ότι το κύκλωμα μπορεί να επιτύχει καλή διόρθωση σε χαμηλές συχνότητες, αλλά καθώς αυξάνεται η συχνότητα, η ακρίβεια διόρθωσης μειώνεται σταδιακά. Εάν η έξοδος βασίζεται στα 100 kHz, η έξοδος έχει μειωθεί κατά 3 dB στα 30 MHz περίπου.

Το εύρος ζώνης κέρδους ενότητας μεγάλου σήματος του ενισχυτή AD8048 είναι 160MHz. Το κέρδος θορύβου αυτού του κυκλώματος είναι 2, οπότε το εύρος ζώνης κλειστού βρόχου είναι περίπου 80MHz (περιγράφηκε νωρίτερα, το πραγματικό πειραματικό αποτέλεσμα είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από 100MHz). Η μέση έξοδος της διορθωμένης εξόδου μειώνεται κατά 3 dB, που είναι περίπου 30 MHz, λιγότερο από το ένα τρίτο του εύρους ζώνης κλειστού βρόχου του υπό δοκιμή κυκλώματος. Με άλλα λόγια, εάν θέλουμε να κάνουμε ένα κύκλωμα ανορθωτή ακριβείας με επιπεδότητα μικρότερη από 3dB, το εύρος ζώνης κλειστού βρόχου του κυκλώματος θα πρέπει να είναι τουλάχιστον τρεις φορές μεγαλύτερο από την υψηλότερη συχνότητα του σήματος.

Παρακάτω είναι η κυματομορφή δοκιμής. Η κίτρινη κυματομορφή είναι η κυματομορφή του τερματικού vi εισόδου και η μπλε κυματομορφή είναι η κυματομορφή του ακροδέκτη εξόδου vo.

Βήμα 3:

Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, η περίοδος σήματος γίνεται όλο και μικρότερη και το κενό αντιπροσωπεύει ένα αυξανόμενο ποσοστό.

Βήμα 4:

Παρατηρώντας την έξοδο του op ενισχυτή αυτή τη στιγμή (σημειώστε ότι δεν είναι vo) κυματομορφή, μπορεί να διαπιστωθεί ότι η κυματομορφή εξόδου του ενισχυτή έχει σοβαρή παραμόρφωση πριν και μετά τη διέλευση μηδέν εξόδου. Παρακάτω είναι οι κυματομορφές στην έξοδο του ενισχυτή op στα 1MHz και 10MHz.

Βήμα 5:

Η προηγούμενη κυματομορφή μπορεί να συγκριθεί με την παραμόρφωση διασταύρωσης στο κύκλωμα εξόδου push-pull. Μια διαισθητική εξήγηση δίνεται παρακάτω:

Όταν η τάση εξόδου είναι υψηλή, η δίοδος είναι πλήρως ενεργοποιημένη, οπότε έχει ουσιαστικά σταθερή πτώση τάσης σωλήνα και η έξοδος του ενισχυτή λειτουργίας είναι πάντα μία δίοδος υψηλότερη από την τάση εξόδου. Σε αυτό το σημείο, ο ενισχυτής op λειτουργεί σε κατάσταση γραμμικής ενίσχυσης, οπότε η κυματομορφή εξόδου είναι ένα καλό κύμα κεφαλίδας.

Τη στιγμή που το σήμα εξόδου διασχίζει το μηδέν, η μία από τις δύο διόδους αρχίζει να περνά από την αγωγιμότητα στην αποκοπή, ενώ οι άλλες μεταβαίνουν από το off στο on. Κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης, η σύνθετη αντίσταση της διόδου είναι εξαιρετικά μεγάλη και μπορεί να προσεγγιστεί ως ανοιχτό κύκλωμα, οπότε ο ενισχυτής op αυτή τη στιγμή δεν λειτουργεί σε γραμμική κατάσταση, αλλά κοντά στον ανοιχτό βρόχο. Κάτω από την τάση εισόδου, ο ενισχυτής op θα αλλάξει την τάση εξόδου στο μέγιστο δυνατό ρυθμό για να φέρει τη δίοδο σε αγωγιμότητα. Ωστόσο, ο ρυθμός στροφής του ενισχυτή λειτουργίας είναι περιορισμένος και είναι αδύνατο να αυξηθεί η τάση εξόδου για να ενεργοποιηθεί η δίοδος σε μια στιγμή. Επιπλέον, η δίοδος έχει χρόνο μετάβασης από το on στο off ή από το off στο on. Υπάρχει λοιπόν ένα κενό στην τάση εξόδου. Από την κυματομορφή της εξόδου του op ενισχυτή παραπάνω, φαίνεται πώς η λειτουργία της μηδενικής διέλευσης της εξόδου «παλεύει» σε μια προσπάθεια αλλαγής της τάσης εξόδου. Ορισμένα υλικά, συμπεριλαμβανομένων των σχολικών βιβλίων, λένε ότι λόγω της βαθιάς αρνητικής ανάδρασης του ενισχυτή, η μη γραμμικότητα της διόδου μειώνεται στο αρχικό 1/AF. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, κοντά στη μηδενική διέλευση του σήματος εξόδου, δεδομένου ότι ο ενισχυτής op είναι κοντά στον ανοιχτό βρόχο, όλοι οι τύποι για την αρνητική ανάδραση του ενισχυτή op είναι άκυροι και η μη γραμμικότητα της διόδου δεν μπορεί να αναλυθεί από το Αρχή αρνητικής ανάδρασης.

Εάν η συχνότητα του σήματος αυξηθεί περαιτέρω, όχι μόνο το πρόβλημα της ταχύτητας ανατροπής, αλλά η απόκριση συχνότητας του ίδιου του ενισχυτή είναι επίσης υποβαθμισμένη, οπότε η κυματομορφή εξόδου γίνεται αρκετά κακή. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την κυματομορφή εξόδου σε συχνότητα σήματος 50MHz.

Βήμα 6:

Το προηγούμενο πείραμα βασίστηκε στο op amp AD8048 και τη δίοδο SD101. Για σύγκριση, έκανα ένα πείραμα για να αντικαταστήσω τη συσκευή.

Τα αποτελέσματα έχουν ως εξής:

1. Αντικαταστήστε τον ενισχυτή op με AD8047. Το μεγάλο εύρος ζώνης σήματος (130MHz) του ενισχυτή είναι ελαφρώς χαμηλότερο από το AD8048 (160MHz), ο ρυθμός ανατροπής είναι επίσης χαμηλότερος (750V/us, 8048 είναι 1000V/us) και το κέρδος ανοιχτού βρόχου είναι περίπου 1300, το οποίο είναι επίσης χαμηλότερο από το 2400 του 8048..

Τα πειραματικά αποτελέσματα (συχνότητα, μέσος όρος εξόδου, rms εισόδου και ο λόγος των δύο) έχουν ως εξής:

1Μ, 320, 711, 0,45

10Μ, 280, 722, 0.39

20Μ, 210, 712, 0,29

30Μ, 152, 715, 0,21

Μπορεί να φανεί ότι η εξασθένηση 3dB είναι μικρότερη από λίγο στα 20MHz. Το εύρος ζώνης κλειστού βρόχου αυτού του κυκλώματος είναι περίπου 65 MHz, οπότε η μέση πτώση εξόδου 3dB είναι επίσης μικρότερη από το ένα τρίτο του εύρους ζώνης κλειστού βρόχου του κυκλώματος.

2. Αντικαταστήστε το SD101 με 2AP9, 1N4148 κ.λπ., αλλά τα τελικά αποτελέσματα είναι παρόμοια, δεν υπάρχει ουσιαστική διαφορά, οπότε δεν θα τα επαναλάβω εδώ.

Υπάρχει επίσης ένα κύκλωμα που ανοίγει το D2 στο κύκλωμα όπως φαίνεται παρακάτω.

Βήμα 7:

Η σημαντική διαφορά μεταξύ αυτού και του κυκλώματος που χρησιμοποιεί δύο διόδους (εφεξής καλούμενο κύκλωμα διπλού σωλήνα) είναι ότι στο κύκλωμα διπλού σωλήνα, ο λειτουργικός ενισχυτής βρίσκεται μόνο σε κατάσταση περίπου ανοιχτού βρόχου κοντά στη μηδενική διέλευση του σήματος, και αυτό το κύκλωμα (εφεξής καλούμενο κύκλωμα ενός σωλήνα) Η λειτουργία στη μέση βρίσκεται σε μια εντελώς ανοικτή κατάσταση βρόχου για το ήμισυ της περιόδου σήματος. Έτσι, η μη γραμμικότητά του είναι σίγουρα πολύ πιο σοβαρή από το κύκλωμα διπλού σωλήνα.

Παρακάτω είναι η κυματομορφή εξόδου αυτού του κυκλώματος:

Τα 100kHz, παρόμοια με ένα κύκλωμα διπλού σωλήνα, έχουν επίσης κενό όταν είναι ενεργοποιημένη η δίοδος. Θα πρέπει να υπάρχουν κάποια χτυπήματα στην αρχική θέση. Το σήμα εισόδου μεταδίδεται απευθείας μέσω δύο αντιστάσεων 200 ohm. Μπορεί να αποφευχθεί βελτιώνοντας ελαφρά το κύκλωμα. Δεν έχει καμία σχέση με τα προβλήματα που θα συζητήσουμε παρακάτω. Είναι 1MHz.

Βήμα 8:

Αυτή η κυματομορφή είναι σαφώς διαφορετική από το κύκλωμα διπλού σωλήνα. Το κύκλωμα διπλού σωλήνα έχει καθυστέρηση περίπου 40 ns σε αυτή τη συχνότητα, και η καθυστέρηση αυτού του κυκλώματος ενός σωλήνα είναι 80 ns και υπάρχει κουδούνισμα. Ο λόγος είναι ότι ο ενισχυτής op είναι εντελώς ανοιχτός βρόχος πριν ενεργοποιηθεί η δίοδος και η έξοδός του είναι κοντά στην αρνητική τάση τροφοδοσίας, οπότε ορισμένα από τα εσωτερικά τρανζίστορ του πρέπει να βρίσκονται σε βαθύ κορεσμό ή σε βαθιά κατάσταση. Όταν η είσοδος περάσει το μηδέν, τα τρανζίστορ που βρίσκονται σε κατάσταση «βαθύ ύπνου» αρχικά «ξυπνούν» και μετά η τάση εξόδου ανεβαίνει στη δίοδο με ρυθμό ανατροπής.

Σε χαμηλότερες συχνότητες, ο ρυθμός ανόδου του σήματος εισόδου δεν είναι υψηλός, επομένως τα αποτελέσματα αυτών των διαδικασιών δεν εμφανίζονται (όπως συμβαίνει με τα 100k παραπάνω) και αφού η συχνότητα είναι υψηλή, ο ρυθμός σήματος στην είσοδο είναι μεγάλος, «ξυπνώντας» έτσι το τρανζίστορ. Η τάση διέγερσης ή το ρεύμα θα αυξηθούν, γεγονός που προκαλεί κουδούνισμα.

Βήμα 9:

5MHz. Βασικά δεν υπάρχει διόρθωση σε αυτή τη συχνότητα.

Βήμα 10: Συμπέρασμα

Με βάση τα παραπάνω πειράματα, μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

1. Όταν η συχνότητα είναι πολύ χαμηλή, η μη γραμμικότητα της διόδου εξαλείφεται από την αρνητική ανάδραση του βάθους op amp και κάθε κύκλωμα μπορεί να έχει ένα καλό αποτέλεσμα διόρθωσης.

2. εάν θέλετε να επιτύχετε διόρθωση ακριβείας υψηλότερης συχνότητας, το κύκλωμα ενός σωλήνα δεν είναι αποδεκτό.

3. ακόμη και με κυκλώματα διπλού σωλήνα, ο ρυθμός ανατροπής και το εύρος ζώνης του ενισχυτή θα επηρεάσουν σοβαρά την ακρίβεια διόρθωσης σε υψηλότερες συχνότητες. Αυτό το πείραμα αποδίδει μια εμπειρική σχέση υπό ορισμένες συνθήκες: εάν η επιπεδότητα της εξόδου απαιτείται να είναι 3 dB, το εύρος ζώνης κλειστού βρόχου του κυκλώματος (όχι το GBW του ενισχυτή op) είναι τουλάχιστον τρεις φορές μεγαλύτερο από το υψηλότερο σήμα συχνότητα. Δεδομένου ότι το εύρος ζώνης κλειστού βρόχου του κυκλώματος είναι πάντα μικρότερο ή ίσο με το GBW του ενισχυτή, η ακριβής διόρθωση του σήματος υψηλής συχνότητας απαιτεί πολύ υψηλό ενισχυτή GBW.

Αυτό είναι επίσης μια απαίτηση για επιπεδότητα εξόδου 3 dB. Εάν απαιτείται μεγαλύτερη επιπεδότητα εξόδου στη ζώνη σήματος εισόδου, η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή λειτουργίας θα είναι μεγαλύτερη.

Τα παραπάνω αποτελέσματα ελήφθησαν μόνο κάτω από τις ειδικές συνθήκες αυτού του πειράματος και ο ρυθμός απώλειας του ενισχυτή λειτουργίας δεν ελήφθη υπόψη και ο ρυθμός απώλειας είναι προφανώς ένας πολύ σημαντικός παράγοντας εδώ. Επομένως, εάν αυτή η σχέση μπορεί να εφαρμοστεί υπό άλλες προϋποθέσεις, ο συγγραφέας δεν τολμά να κρίνει. Το πώς να λάβετε υπόψη το ποσοστό απώλειας είναι επίσης η επόμενη ερώτηση που θα συζητηθεί.

Ωστόσο, στο κύκλωμα διόρθωσης ακριβείας, το εύρος ζώνης του ενισχυτή λειτουργίας πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο από την υψηλότερη συχνότητα του σήματος.