Eksperimen Perbaikan Presisi: 11 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Saya baru-baru ini melakukan percobaan pada rangkaian penyearah presisi dan mendapat beberapa kesimpulan kasar. Mengingat rangkaian penyearah presisi merupakan rangkaian umum, maka hasil percobaan ini dapat memberikan beberapa informasi referensi.

Rangkaian percobaan adalah sebagai berikut. Penguat operasional adalah AD8048, parameter utamanya adalah: bandwidth sinyal besar 160MHz, laju perubahan tegangan 1000V / us. Dioda adalah SD101, dioda Schottky dengan waktu pemulihan terbalik 1ns. Semua nilai resistor ditentukan dengan mengacu pada lembar data AD8048.

Langkah 1:

Langkah pertama percobaan: putuskan D2 pada rangkaian di atas, hubung singkat D1, dan deteksi respons frekuensi sinyal besar dari penguat operasional itu sendiri. Puncak sinyal input dijaga pada sekitar 1V, frekuensi diubah dari 1MHz menjadi 100MHz, amplitudo input dan output diukur dengan osiloskop, dan penguatan tegangan dihitung. Hasilnya adalah sebagai berikut:

Dalam rentang frekuensi 1M hingga 100M, bentuk gelombang tidak memiliki distorsi signifikan yang dapat diamati.

Perubahan gain adalah sebagai berikut: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

Dapat dilihat bahwa frekuensi cutoff sinyal loop tertutup 3 dB yang besar dari op amp ini kira-kira sedikit lebih dari 100 MHz. Hasil ini pada dasarnya sejalan dengan kurva respons frekuensi sinyal besar yang diberikan dalam manual AD8048.

Langkah 2:

Pada percobaan tahap kedua, dua dioda SD101A ditambahkan. Amplitudo sinyal input tetap di sekitar puncak 1V saat mengukur input dan output. Setelah mengamati bentuk gelombang keluaran, fungsi pengukuran osiloskop juga digunakan untuk mengukur nilai efektif dari sinyal masukan dan rata-rata periode dari sinyal keluaran, dan menghitung rasionya. Hasilnya adalah sebagai berikut (data adalah frekuensi, rata-rata keluaran mV, masukan rms mV, dan rasionya: rata-rata keluaran / masukan 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

Dapat dilihat bahwa rangkaian dapat mencapai rektifikasi yang baik pada frekuensi rendah, tetapi dengan meningkatnya frekuensi, akurasi rektifikasi secara bertahap menurun. Jika output didasarkan pada 100 kHz, output telah turun sebesar 3 dB pada sekitar 30 MHz.

Bandwidth gain sinyal besar dari op amp AD8048 adalah 160MHz. Penguatan noise dari rangkaian ini adalah 2, jadi bandwidth loop tertutup adalah sekitar 80MHz (dijelaskan sebelumnya, hasil eksperimen sebenarnya sedikit lebih besar dari 100MHz). Output rata-rata dari output yang diperbaiki turun sebesar 3 dB, yaitu sekitar 30 MHz, kurang dari sepertiga dari bandwidth loop tertutup dari rangkaian yang diuji. Dengan kata lain, jika kita ingin membuat rangkaian penyearah presisi dengan kerataan kurang dari 3dB, bandwidth loop tertutup dari rangkaian harus setidaknya tiga kali lebih tinggi dari frekuensi sinyal tertinggi.

Di bawah ini adalah bentuk gelombang uji. Bentuk gelombang kuning adalah bentuk gelombang dari terminal input vi, dan bentuk gelombang biru adalah bentuk gelombang dari terminal keluaran vo.

Langkah 3:

Dengan meningkatnya frekuensi, periode sinyal menjadi lebih kecil dan lebih kecil, dan kesenjangan menyumbang proporsi yang meningkat.

Langkah 4:

Mengamati keluaran op amp pada bentuk gelombang saat ini (perhatikan bahwa ini bukan vo), dapat ditemukan bahwa bentuk gelombang keluaran op amp memiliki distorsi yang parah sebelum dan sesudah keluaran zero crossing. Di bawah ini adalah bentuk gelombang pada output op amp pada 1MHz dan 10MHz.

Langkah 5:

Bentuk gelombang sebelumnya dapat dibandingkan dengan distorsi crossover pada rangkaian keluaran push-pull. Penjelasan intuitif diberikan di bawah ini:

Ketika tegangan keluaran tinggi, dioda dihidupkan sepenuhnya, pada titik mana ia memiliki penurunan tegangan tabung yang secara substansial tetap, dan keluaran op amp selalu satu dioda lebih tinggi dari tegangan keluaran. Pada titik ini, op amp bekerja dalam keadaan amplifikasi linier, sehingga bentuk gelombang keluaran adalah gelombang header yang baik.

Pada saat sinyal keluaran melintasi nol, salah satu dari dua dioda mulai berpindah dari konduksi ke cutoff, sedangkan transisi lainnya dari off ke on. Selama transisi ini, impedansi dioda sangat besar dan dapat didekati sebagai rangkaian terbuka, sehingga op amp saat ini tidak bekerja dalam keadaan linier, tetapi dekat dengan loop terbuka. Di bawah tegangan input, op amp akan mengubah tegangan output pada tingkat maksimum yang memungkinkan untuk membawa dioda menjadi konduksi. Namun, laju perubahan tegangan op amp terbatas, dan tidak mungkin menaikkan tegangan output untuk membuat dioda menyala dalam sekejap. Selain itu, dioda memiliki waktu transisi dari on ke off atau dari off ke on. Jadi ada celah pada tegangan output. Dari bentuk gelombang keluaran op amp di atas, dapat dilihat bagaimana operasi zero-crossing keluaran “berjuang” dalam upaya mengubah tegangan keluaran. Beberapa bahan, termasuk buku teks, mengatakan bahwa karena umpan balik negatif yang mendalam dari op amp, nonlinier dioda berkurang menjadi 1/AF asli. Namun, pada kenyataannya, di dekat persilangan nol dari sinyal output, karena op amp dekat dengan loop terbuka, semua rumus untuk umpan balik negatif op amp tidak valid, dan nonlinier dioda tidak dapat dianalisis oleh prinsip umpan balik negatif.

Jika frekuensi sinyal ditingkatkan lebih lanjut, tidak hanya masalah laju perubahan tegangan, tetapi respons frekuensi op amp itu sendiri juga menurun, sehingga bentuk gelombang keluaran menjadi sangat buruk. Gambar di bawah menunjukkan bentuk gelombang keluaran pada frekuensi sinyal 50MHz.

Langkah 6:

Percobaan sebelumnya didasarkan pada op amp AD8048 dan dioda SD101. Sebagai perbandingan, saya melakukan percobaan untuk mengganti perangkat.

Hasilnya adalah sebagai berikut:

1. Ganti op amp dengan AD8047. Bandwidth sinyal besar op amp (130MHz) sedikit lebih rendah dari AD8048 (160MHz), laju perubahan tegangan juga lebih rendah (750V/us, 8048 adalah 1000V/us), dan gain loop terbuka sekitar 1300, yang juga lebih rendah dari 8048's 2400..

Hasil percobaan (frekuensi, rata-rata keluaran, rms masukan, dan rasio keduanya) adalah sebagai berikut:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

Dapat dilihat bahwa redaman 3dB-nya kurang dari sedikit pada 20MHz. Bandwidth loop tertutup sirkuit ini adalah sekitar 65MHz, sehingga penurunan rata-rata output 3dB juga kurang dari sepertiga bandwidth loop tertutup sirkuit.

2. Ganti SD101 dengan 2AP9, 1N4148, dll, tetapi hasil akhirnya serupa, tidak ada perbedaan yang signifikan, jadi saya tidak akan mengulanginya di sini.

Ada juga rangkaian yang membuka D2 pada rangkaian seperti gambar di bawah ini.

Langkah 7:

Perbedaan penting antara itu dan rangkaian yang menggunakan dua dioda (selanjutnya disebut sebagai rangkaian tabung ganda) adalah bahwa dalam rangkaian tabung ganda, penguat operasional hanya dalam keadaan loop terbuka di dekat persimpangan nol sinyal., dan sirkuit ini (selanjutnya disebut sebagai sirkuit tabung tunggal) Operasi di tengah berada dalam keadaan loop terbuka sepenuhnya selama setengah periode sinyal. Jadi nonliniernya jelas jauh lebih serius daripada sirkuit tabung ganda.

Di bawah ini adalah bentuk gelombang keluaran dari rangkaian ini:

100kHz, mirip dengan sirkuit tabung ganda, juga memiliki celah ketika dioda dihidupkan. Seharusnya ada beberapa tonjolan di tempat aslinya. Sinyal input langsung ditransmisikan melalui dua resistor 200 ohm. Ini dapat dihindari dengan sedikit memperbaiki sirkuit. Ini tidak ada hubungannya dengan masalah yang akan kita bahas di bawah ini. Ini adalah 1MHz.

Langkah 8:

Bentuk gelombang ini jelas berbeda dengan rangkaian tabung ganda. Rangkaian tabung ganda memiliki penundaan sekitar 40 ns pada frekuensi ini, dan penundaan rangkaian tabung tunggal ini adalah 80 ns, dan ada dering. Alasannya adalah bahwa op amp benar-benar loop terbuka sebelum dioda dihidupkan, dan outputnya dekat dengan tegangan suplai negatif, sehingga beberapa transistor internalnya harus dalam keadaan jenuh atau dalam. Ketika input melewati nol, transistor yang berada dalam keadaan "tidur nyenyak" pertama-tama "bangun", dan kemudian tegangan output dinaikkan ke dioda pada laju perubahan tegangan.

Pada frekuensi yang lebih rendah, laju kenaikan sinyal input tidak tinggi, sehingga efek dari proses ini tidak ditampilkan (seperti halnya dengan 100k di atas), dan setelah frekuensi tinggi, laju sinyal pada input besar, sehingga "membangunkan" transistor. Tegangan atau arus eksitasi akan meningkat, yang menyebabkan dering.

Langkah 9:

5MHz. Pada dasarnya tidak ada perbaikan pada frekuensi ini.

Langkah 10: Kesimpulan

Berdasarkan percobaan di atas, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Ketika frekuensi sangat rendah, ketidaklinieran dioda dihilangkan oleh umpan balik negatif dari kedalaman op amp, dan rangkaian apa pun bisa mendapatkan efek penyearah yang baik.

2. jika Anda ingin mencapai pembetulan presisi frekuensi yang lebih tinggi, sirkuit tabung tunggal tidak dapat diterima.

3. bahkan dengan sirkuit tabung ganda, laju perubahan tegangan dan bandwidth op amp akan sangat mempengaruhi akurasi penyearahan pada frekuensi yang lebih tinggi. Eksperimen ini menghasilkan hubungan empiris dalam kondisi tertentu: jika kerataan output diperlukan 3 dB, bandwidth loop tertutup dari rangkaian (bukan GBW op amp) setidaknya tiga kali lebih besar dari sinyal tertinggi frekuensi. Karena bandwidth loop tertutup dari rangkaian selalu kurang dari atau sama dengan GBW op amp, rektifikasi presisi dari sinyal frekuensi tinggi memerlukan op amp GBW yang sangat tinggi.

Ini juga merupakan persyaratan untuk kerataan output 3 dB. Jika kerataan output yang lebih tinggi diperlukan dalam pita sinyal input, respons frekuensi op amp akan lebih tinggi.

Hasil di atas diperoleh hanya di bawah kondisi spesifik percobaan ini, dan laju perubahan tegangan op amp tidak dipertimbangkan, dan laju perubahan tegangan jelas merupakan faktor yang sangat penting di sini. Oleh karena itu, apakah hubungan ini dapat diterapkan dalam kondisi lain, penulis tidak berani menilai. Bagaimana mempertimbangkan laju perubahan tegangan juga merupakan pertanyaan berikutnya yang akan dibahas.

Namun, dalam rangkaian penyearah presisi, bandwidth op amp harus jauh lebih besar daripada frekuensi sinyal tertinggi.