การทดลองแก้ไขที่แม่นยำ: 11 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

ฉันเพิ่งทำการทดลองเกี่ยวกับวงจรการแก้ไขที่แม่นยำและได้ข้อสรุปคร่าวๆ เมื่อพิจารณาว่าวงจรเรียงกระแสที่มีความแม่นยำเป็นวงจรทั่วไป ผลของการทดลองนี้สามารถให้ข้อมูลอ้างอิงบางส่วนได้

วงจรทดลองมีดังนี้ แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานคือ AD8048 พารามิเตอร์หลักคือแบนด์วิดท์สัญญาณขนาดใหญ่ 160MHz อัตราฆ่า 1,000V / us ไดโอดคือ SD101, ไดโอด Schottky ที่มีเวลาการกู้คืนย้อนกลับ 1ns ค่าตัวต้านทานทั้งหมดถูกกำหนดโดยการอ้างอิงถึงเอกสารข้อมูล AD8048

ขั้นตอนที่ 1:

ขั้นตอนแรกของการทดลอง: ตัดการเชื่อมต่อ D2 ในวงจรข้างต้น ไฟฟ้าลัดวงจร D1 และตรวจจับการตอบสนองความถี่สัญญาณขนาดใหญ่ของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน จุดสูงสุดของสัญญาณอินพุตอยู่ที่ประมาณ 1V ความถี่จะเปลี่ยนจาก 1MHz เป็น 100MHz แอมพลิจูดอินพุตและเอาต์พุตวัดด้วยออสซิลโลสโคปและคำนวณแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ผลลัพธ์มีดังนี้:

ในช่วงความถี่ 1M ถึง 100M รูปคลื่นไม่มีการบิดเบือนที่มีนัยสำคัญที่สังเกตได้

การเปลี่ยนแปลงที่เพิ่มขึ้นมีดังนี้: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79

จะเห็นได้ว่าสัญญาณวงปิดขนาดใหญ่ความถี่คัตออฟ 3 dB ของ op amp นี้มีค่ามากกว่า 100 MHz เล็กน้อย ผลลัพธ์นี้โดยทั่วไปจะสอดคล้องกับเส้นโค้งการตอบสนองความถี่สัญญาณขนาดใหญ่ที่ให้ไว้ในคู่มือ AD8048

ขั้นตอนที่ 2:

ในขั้นตอนที่สองของการทดลอง เพิ่มไดโอด SD101A สองตัว แอมพลิจูดของสัญญาณอินพุตยังคงอยู่ที่จุดสูงสุดประมาณ 1V ขณะวัดอินพุตและเอาต์พุต หลังจากสังเกตรูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุตแล้ว ฟังก์ชันการวัดของออสซิลโลสโคปยังใช้เพื่อวัดค่าประสิทธิผลของสัญญาณอินพุตและค่าเฉลี่ยระยะเวลาของสัญญาณเอาท์พุต และคำนวณอัตราส่วนของสัญญาณเหล่านั้น ผลลัพธ์มีดังนี้ (ข้อมูลคือความถี่, ค่าเฉลี่ยเอาต์พุต mV, อินพุต rms mV และอัตราส่วน: ค่าเฉลี่ยเอาต์พุต / อินพุต 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

จะเห็นได้ว่าวงจรสามารถบรรลุการแก้ไขที่ดีที่ความถี่ต่ำ แต่เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ความแม่นยำในการแก้ไขจะค่อยๆ ลดลง หากเอาต์พุตเป็นไปตาม 100 kHz เอาต์พุตจะลดลง 3 dB ที่ประมาณ 30 MHz

แบนด์วิดธ์ที่ได้รับสัญญาณขนาดใหญ่ของ AD8048 op amp คือ 160MHz อัตราขยายของสัญญาณรบกวนของวงจรนี้คือ 2 ดังนั้นแบนด์วิดท์วงปิดจะอยู่ที่ประมาณ 80MHz (อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ ผลการทดลองจริงมีขนาดใหญ่กว่า 100MHz เล็กน้อย) เอาต์พุตเฉลี่ยของเอาต์พุตที่แก้ไขแล้วลดลง 3 dB ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 30 MHz ซึ่งน้อยกว่าหนึ่งในสามของแบนด์วิดท์ลูปปิดของวงจรที่ทดสอบ กล่าวอีกนัยหนึ่งถ้าเราต้องการสร้างวงจรเรียงกระแสที่มีความแม่นยำด้วยความเรียบน้อยกว่า 3dB แบนด์วิดท์วงปิดของวงจรควรสูงกว่าความถี่สูงสุดของสัญญาณอย่างน้อยสามเท่า

ด้านล่างเป็นรูปคลื่นทดสอบ รูปคลื่นสีเหลืองคือรูปคลื่นของขั้วอินพุต vi และรูปคลื่นสีน้ำเงินคือรูปคลื่นของเทอร์มินัลเอาต์พุต vo

ขั้นตอนที่ 3:

เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ระยะเวลาของสัญญาณจะเล็กลงเรื่อยๆ และช่องว่างก็มีสัดส่วนเพิ่มขึ้น

ขั้นตอนที่ 4:

เมื่อสังเกตเอาต์พุตของ op amp ในเวลานี้ (โปรดทราบว่ามันไม่ใช่ vo) จะพบว่ารูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุตของ op amp มีการบิดเบือนอย่างรุนแรงก่อนและหลังการข้ามศูนย์เอาต์พุต ด้านล่างนี้เป็นรูปคลื่นที่เอาต์พุตของ op amp ที่ 1MHz และ 10MHz

ขั้นตอนที่ 5:

รูปคลื่นก่อนหน้าสามารถเปรียบเทียบได้กับการบิดเบือนของครอสโอเวอร์ในวงจรเอาต์พุตแบบพุช-พูล คำอธิบายที่เข้าใจง่ายได้รับด้านล่าง:

เมื่อแรงดันไฟขาออกสูง ไดโอดจะถูกเปิดจนสุด โดยจะมีแรงดันไฟตกของท่อคงที่อย่างมาก และเอาต์พุตของ op amp จะเป็นไดโอดที่สูงกว่าแรงดันไฟขาออกหนึ่งตัวเสมอ ณ จุดนี้ op amp ทำงานในสถานะการขยายเชิงเส้น ดังนั้นรูปคลื่นของเอาต์พุตจึงเป็นคลื่นส่วนหัวที่ดี

ในขณะที่สัญญาณเอาท์พุตตัดผ่านศูนย์ ไดโอดตัวใดตัวหนึ่งจากสองไดโอดเริ่มส่งผ่านจากการนำไปยังจุดตัด ขณะที่อีกไดโอดหนึ่งเปลี่ยนจากปิดเป็นเปิด ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ อิมพีแดนซ์ของไดโอดจะมีขนาดใหญ่มากและสามารถประมาณได้ว่าเป็นวงจรเปิด ดังนั้น op amp ในขณะนี้จึงไม่ทำงานในสถานะเชิงเส้น แต่ใกล้กับวงเปิด ภายใต้แรงดันไฟฟ้าขาเข้า op amp จะเปลี่ยนแรงดันเอาต์พุตที่อัตราสูงสุดที่เป็นไปได้เพื่อให้ไดโอดเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม อัตราการฆ่าของ op amp มีจำกัด และเป็นไปไม่ได้ที่จะเพิ่มแรงดันเอาต์พุตเพื่อให้ไดโอดเปิดขึ้นในทันที นอกจากนี้ ไดโอดยังมีเวลาการเปลี่ยนจากเปิดเป็นปิดหรือจากปิดเป็นเปิด จึงมีช่องว่างในแรงดันขาออก จากรูปคลื่นของเอาต์พุตของ op amp ด้านบน จะเห็นได้ว่าการทำงานของ zero-crossing ของเอาต์พุตนั้น "ดิ้นรน" ในความพยายามที่จะเปลี่ยนแรงดันเอาต์พุต วัสดุบางอย่าง รวมทั้งตำราเรียน บอกว่าเนื่องจากการป้อนกลับเชิงลบของ op amp ความไม่เป็นเชิงเส้นของไดโอดจึงลดลงเหลือ 1/AF ดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง ใกล้จุดศูนย์ข้ามของสัญญาณเอาท์พุต เนื่องจาก op amp อยู่ใกล้กับ open loop สูตรทั้งหมดสำหรับผลป้อนกลับเชิงลบของ op amp นั้นไม่ถูกต้อง และความไม่เชิงเส้นของไดโอดนั้นไม่สามารถวิเคราะห์ได้โดย หลักการตอบรับเชิงลบ

หากความถี่ของสัญญาณเพิ่มขึ้นอีก ไม่เพียงแต่จะเป็นปัญหาอัตราการฆ่าเท่านั้น แต่การตอบสนองความถี่ของออปแอมป์เองก็ลดลงด้วย ดังนั้นรูปคลื่นของเอาต์พุตจึงค่อนข้างแย่ รูปด้านล่างแสดงรูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุตที่ความถี่สัญญาณ 50MHz

ขั้นตอนที่ 6:

การทดลองก่อนหน้านี้ใช้ op amp AD8048 และ diode SD101 สำหรับการเปรียบเทียบ ฉันได้ทำการทดลองเพื่อเปลี่ยนอุปกรณ์

ผลลัพธ์มีดังนี้:

1. เปลี่ยน op amp ด้วย AD8047 แบนด์วิดท์สัญญาณขนาดใหญ่ของ op amp (130MHz) ต่ำกว่า AD8048 (160MHz) เล็กน้อย อัตราการฆ่าก็ต่ำกว่าเช่นกัน (750V/us, 8048 คือ 1000V/us) และ open-loop gain ประมาณ 1300 ซึ่งก็คือ ต่ำกว่า 8048's 2400..

ผลการทดลอง (ความถี่ ค่าเฉลี่ยเอาต์พุต อินพุต rms และอัตราส่วนของทั้งสอง) มีดังนี้:

1M, 320, 711, 0.45

10M, 280, 722, 0.39

20M, 210, 712, 0.29

30M, 152, 715, 0.21

จะเห็นได้ว่าการลดทอน 3dB ของมันนั้นน้อยกว่าเล็กน้อยที่ 20MHz แบนด์วิดท์วงปิดของวงจรนี้อยู่ที่ประมาณ 65MHz ดังนั้นเอาต์พุตเฉลี่ยที่ลดลงของ 3dB ก็น้อยกว่าหนึ่งในสามของแบนด์วิดท์วงปิดของวงจร

2. แทนที่ SD101 ด้วย 2AP9, 1N4148 ฯลฯ แต่ผลลัพธ์สุดท้ายคล้ายกัน ไม่มีความแตกต่างอย่างมาก ดังนั้นฉันจะไม่ทำซ้ำที่นี่

นอกจากนี้ยังมีวงจรเปิด D2 ในวงจรดังภาพด้านล่าง

ขั้นตอนที่ 7:

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างมันกับวงจรที่ใช้ไดโอดสองตัว (ต่อไปนี้จะเรียกว่าวงจรหลอดคู่) คือในวงจรหลอดคู่นั้นแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานอยู่ในสถานะวงเปิดโดยประมาณใกล้ศูนย์ข้ามของสัญญาณ และวงจรนี้ (ต่อไปนี้จะเรียกว่าวงจรหลอดเดียว) การทำงานที่อยู่ตรงกลางอยู่ในสถานะวงเปิดอย่างสมบูรณ์เป็นเวลาครึ่งหนึ่งของช่วงสัญญาณ ดังนั้นความไม่เชิงเส้นของมันจึงรุนแรงกว่าวงจรหลอดคู่อย่างแน่นอน

ด้านล่างเป็นรูปคลื่นเอาท์พุตของวงจรนี้:

100kHz ซึ่งคล้ายกับวงจรหลอดคู่ มีช่องว่างเมื่อเปิดไดโอดเช่นกัน น่าจะมีกระแทกที่เดิมบ้าง สัญญาณอินพุตจะถูกส่งโดยตรงผ่านตัวต้านทาน 200 โอห์มสองตัว สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการปรับปรุงวงจรเล็กน้อย ไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับปัญหาที่เราจะพูดถึงด้านล่าง คือ 1MHz

ขั้นตอนที่ 8:

รูปคลื่นนี้แตกต่างจากวงจรหลอดคู่อย่างเห็นได้ชัด วงจรหลอดคู่มีความล่าช้าประมาณ 40 ns ที่ความถี่นี้ และการหน่วงเวลาของวงจรหลอดเดียวนี้คือ 80 ns และมีเสียงกริ่ง เหตุผลก็คือ op amp เป็นแบบ open-loop ทั้งหมดก่อนที่ไดโอดจะเปิดขึ้น และเอาท์พุตอยู่ใกล้กับแรงดันไฟลบ ดังนั้นทรานซิสเตอร์ภายในบางตัวต้องอยู่ในสภาวะอิ่มตัวเชิงลึกหรืออยู่ในสถานะปิดลึก เมื่ออินพุทตัดกับศูนย์ ทรานซิสเตอร์ที่อยู่ในสถานะ "ดีปสลีป" จะถูก "ปลุก" ก่อน จากนั้นแรงดันเอาต์พุตจะเพิ่มเป็นไดโอดที่อัตราการฆ่า

ที่ความถี่ต่ำ อัตราการเพิ่มขึ้นของสัญญาณอินพุตไม่สูง ดังนั้นจึงไม่แสดงผลของกระบวนการเหล่านี้ (เช่นเดียวกับ 100k ด้านบน) และหลังจากความถี่สูง อัตราสัญญาณที่อินพุตจะมีขนาดใหญ่ ดังนั้นจึง "ปลุก" ทรานซิสเตอร์ แรงดันไฟหรือกระแสกระตุ้นจะเพิ่มขึ้นซึ่งทำให้เกิดเสียงกริ่ง

ขั้นตอนที่ 9:

5MHz. โดยทั่วไปไม่มีการแก้ไขที่ความถี่นี้

ขั้นตอนที่ 10: สรุป

จากการทดลองข้างต้นสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้:

1. เมื่อความถี่ต่ำมาก ความไม่เป็นเชิงเส้นของไดโอดจะถูกขจัดออกไปโดยผลป้อนกลับเชิงลบของความลึกของแอมป์ op และวงจรใดๆ จะได้ผลการแก้ไขที่ดี

2. ถ้าคุณต้องการแก้ไขความถี่ให้แม่นยำขึ้น วงจรหลอดเดียวไม่เป็นที่ยอมรับ

3. แม้จะมีวงจรหลอดคู่ อัตราการฆ่าและแบนด์วิดท์ของ op amp จะส่งผลอย่างมากต่อความแม่นยำในการแก้ไขที่ความถี่สูง การทดลองนี้ให้ผลความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ภายใต้เงื่อนไขบางประการ: หากความเรียบของเอาต์พุตต้องเป็น 3 dB แบนด์วิดท์วงปิดของวงจร (ไม่ใช่ GBW ของ op amp) จะมากกว่าสัญญาณสูงสุดอย่างน้อยสามเท่า ความถี่. เนื่องจากแบนด์วิดท์วงปิดของวงจรจะน้อยกว่าหรือเท่ากับ GBW ของ op amp เสมอ การแก้ไขที่แม่นยำของสัญญาณความถี่สูงจึงต้องการ GBW op amp ที่สูงมาก

นี่เป็นข้อกำหนดสำหรับความเรียบของเอาต์พุต 3 dB หากต้องการความเรียบของเอาต์พุตที่สูงขึ้นในแถบสัญญาณอินพุต การตอบสนองความถี่ของ op amp จะสูงขึ้น

ผลลัพธ์ข้างต้นได้มาภายใต้เงื่อนไขเฉพาะของการทดลองนี้เท่านั้น และไม่ได้พิจารณาอัตราการฆ่าของ op amp และอัตราการฆ่านั้นเป็นปัจจัยที่สำคัญมากที่นี่ ดังนั้น ไม่ว่าความสัมพันธ์นี้จะใช้ได้ภายใต้เงื่อนไขอื่นหรือไม่ ผู้เขียนไม่กล้าตัดสิน วิธีพิจารณาอัตราการฆ่าเป็นคำถามต่อไปที่จะกล่าวถึง

อย่างไรก็ตาม ในวงจรการแก้ไขที่แม่นยำ แบนด์วิดท์ของ op amp ควรมากกว่าความถี่สูงสุดของสัญญาณมาก