Một thí nghiệm chỉnh lưu chính xác: 11 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Gần đây tôi đã thực hiện một thử nghiệm về mạch chỉnh lưu chính xác và nhận được một số kết luận sơ bộ. Xét rằng mạch chỉnh lưu chính xác là mạch thông dụng, kết quả của thí nghiệm này có thể cung cấp một số thông tin tham khảo.

Mạch thí nghiệm như sau. Bộ khuếch đại hoạt động là AD8048, các thông số chính là: băng thông tín hiệu lớn 160MHz, tốc độ quay 1000V / us. Diode là diode SD101, Schottky với thời gian khôi phục ngược là 1ns. Tất cả các giá trị điện trở được xác định bằng cách tham chiếu đến bảng dữ liệu AD8048.

Bước 1:

Bước đầu tiên của thí nghiệm: ngắt kết nối D2 trong mạch trên, ngắn mạch D1, và phát hiện đáp ứng tần số tín hiệu lớn của bộ khuếch đại hoạt động. Đỉnh tín hiệu đầu vào được giữ ở mức khoảng 1V, tần số được thay đổi từ 1MHz đến 100MHz, biên độ đầu vào và đầu ra được đo bằng máy hiện sóng và tính toán độ lợi điện áp. Kết quả như sau:

Trong dải tần từ 1M đến 100M, dạng sóng không có biến dạng đáng kể có thể quan sát được.

Thay đổi độ lợi như sau: 1M-1,02, 10M-1,02, 35M-1,06, 50M-1,06, 70M-1,04, 100M-0,79.

Có thể thấy rằng tần số cắt 3 dB vòng kín tín hiệu lớn của op amp này là khoảng hơn 100 MHz một chút. Kết quả này về cơ bản phù hợp với đường cong đáp ứng tần số tín hiệu lớn được đưa ra trong sách hướng dẫn AD8048.

Bước 2:

Trong bước thứ hai của thí nghiệm, hai điốt SD101A đã được thêm vào. Biên độ tín hiệu đầu vào vẫn ở mức đỉnh khoảng 1V trong khi đo đầu vào và đầu ra. Sau khi quan sát dạng sóng đầu ra, chức năng đo của máy hiện sóng cũng được sử dụng để đo giá trị hiệu dụng của tín hiệu đầu vào và giá trị trung bình chu kỳ của tín hiệu đầu ra, đồng thời tính toán tỷ lệ của chúng. Kết quả như sau (dữ liệu là tần số, mV trung bình đầu ra, rms mV đầu vào và tỷ lệ của chúng: trung bình đầu ra / rms đầu vào):

100kHz, 306, 673, 0,45

1MHz, 305, 686, 0,44

5 MHz, 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

Có thể thấy rằng mạch có thể đạt được chỉnh lưu tốt ở tần số thấp, nhưng khi tần số tăng lên thì độ chính xác chỉnh lưu giảm dần. Nếu đầu ra dựa trên 100 kHz, thì đầu ra đã giảm 3 dB ở khoảng 30 MHz.

Băng thông khuếch đại tín hiệu thống nhất lớn của amp op AD8048 là 160MHz. Độ lợi nhiễu của mạch này là 2, do đó băng thông vòng kín là khoảng 80MHz (được mô tả trước đó, kết quả thực nghiệm lớn hơn một chút so với 100MHz). Đầu ra trung bình của đầu ra đã chỉnh lưu giảm 3 dB, tương đương với 30 MHz, nhỏ hơn một phần ba băng thông vòng kín của mạch được thử nghiệm. Nói cách khác, nếu chúng ta muốn tạo một mạch chỉnh lưu chính xác với độ phẳng nhỏ hơn 3dB, băng thông vòng kín của mạch phải cao hơn tần số cao nhất của tín hiệu ít nhất ba lần.

Dưới đây là dạng sóng thử nghiệm. Dạng sóng màu vàng là dạng sóng của thiết bị đầu cuối đầu vào vi và dạng sóng màu xanh lam là dạng sóng của đầu cuối đầu ra vo.

Bước 3:

Khi tần số tăng lên, chu kỳ tín hiệu ngày càng nhỏ và khoảng cách chiếm tỷ trọng ngày càng lớn.

Bước 4:

Quan sát dạng sóng đầu ra của op amp tại thời điểm này (lưu ý rằng nó không phải là vo), có thể thấy rằng dạng sóng đầu ra của op amp bị biến dạng nghiêm trọng trước và sau khi đầu ra không vượt qua. Dưới đây là các dạng sóng ở đầu ra của op amp ở 1MHz và 10MHz.

Bước 5:

Dạng sóng trước đó có thể được so sánh với sự biến dạng chéo trong mạch đầu ra đẩy-kéo. Dưới đây là một lời giải thích trực quan:

Khi điện áp đầu ra cao, diode được bật hoàn toàn, tại thời điểm này, nó có điện áp ống giảm đáng kể cố định và đầu ra của op amp luôn cao hơn một diode so với điện áp đầu ra. Tại thời điểm này, op amp hoạt động ở trạng thái khuếch đại tuyến tính, vì vậy dạng sóng đầu ra là sóng tiêu đề tốt.

Tại thời điểm tín hiệu đầu ra vượt qua 0, một trong hai điốt bắt đầu chuyển từ trạng thái dẫn sang điểm cắt, trong khi các đi-ốt khác chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái bật. Trong quá trình chuyển đổi này, trở kháng của diode là vô cùng lớn và có thể được coi gần đúng như một mạch hở, do đó op amp lúc này không hoạt động ở trạng thái tuyến tính, mà là gần với vòng hở. Dưới điện áp đầu vào, op amp sẽ thay đổi điện áp đầu ra ở tốc độ lớn nhất có thể để đưa điốt vào trạng thái dẫn điện. Tuy nhiên, tốc độ quay của amp op bị hạn chế và không thể tăng điện áp đầu ra để làm cho diode bật ngay lập tức. Ngoài ra, diode có thời gian chuyển tiếp từ lúc chuyển sang lúc tắt hoặc từ lúc chuyển sang lúc tắt. Vì vậy, có một khoảng trống trong điện áp đầu ra. Từ dạng sóng của đầu ra của op amp ở trên, có thể thấy hoạt động của đầu ra không vượt qua "chật vật" như thế nào trong nỗ lực thay đổi điện áp đầu ra. Một số tài liệu, bao gồm cả sách giáo khoa, nói rằng do phản hồi âm sâu của amp op, độ phi tuyến của diode giảm xuống 1 / AF ban đầu. Tuy nhiên, trên thực tế, gần điểm giao cắt 0 của tín hiệu đầu ra, vì op amp gần với vòng lặp mở, tất cả các công thức cho phản hồi âm của op amp là không hợp lệ và không thể phân tích độ phi tuyến của diode bằng nguyên tắc phản hồi tiêu cực.

Nếu tần số tín hiệu được tăng thêm, không chỉ có vấn đề về tốc độ quay, mà đáp ứng tần số của chính op amp cũng bị suy giảm, do đó dạng sóng đầu ra trở nên khá tệ. Hình dưới đây cho thấy dạng sóng đầu ra ở tần số tín hiệu 50MHz.

Bước 6:

Thử nghiệm trước đó dựa trên op amp AD8048 và diode SD101. Để so sánh, tôi đã làm một thử nghiệm để thay thế thiết bị.

Kết quả như sau:

1. Thay op amp bằng AD8047. Băng thông tín hiệu lớn của op amp (130MHz) thấp hơn một chút so với AD8048 (160MHz), tốc độ quay cũng thấp hơn (750V / us, 8048 là 1000V / us) và độ lợi vòng hở là khoảng 1300, cũng là thấp hơn 2400 của 8048..

Các kết quả thực nghiệm (tần số, trung bình đầu ra, rms đầu vào và tỷ lệ của cả hai) như sau:

1M, 320, 711, 0,45

10 triệu, 280, 722, 0,39

20 triệu, 210, 712, 0,29

30 triệu, 152, 715, 0,21

Có thể thấy rằng độ suy giảm 3dB của nó ít hơn một chút ở 20MHz. Băng thông vòng kín của mạch này là khoảng 65MHz, do đó mức sụt giảm trung bình đầu ra của 3dB cũng nhỏ hơn một phần ba băng thông vòng kín của mạch.

2. Thay SD101 bằng 2AP9, 1N4148, v.v., nhưng kết quả cuối cùng là tương tự, không có sự khác biệt đáng kể, vì vậy tôi sẽ không lặp lại chúng ở đây.

Trong mạch điện cũng có một đoạn mạch mở D2 như hình vẽ bên.

Bước 7:

Sự khác biệt quan trọng giữa nó và mạch sử dụng hai điốt (sau đây được gọi là mạch ống đôi) là trong mạch ống đôi, bộ khuếch đại hoạt động chỉ ở trạng thái vòng lặp gần như mở gần điểm giao nhau bằng không của tín hiệu., và mạch này (sau đây gọi là mạch một ống) Hoạt động ở giữa ở trạng thái vòng lặp hoàn toàn mở trong một nửa chu kỳ tín hiệu. Vì vậy tính phi tuyến của nó chắc chắn nghiêm trọng hơn nhiều so với mạch hai ống.

Dưới đây là dạng sóng đầu ra của mạch này:

100kHz, tương tự như mạch ống kép, cũng có khoảng trống khi bật diode. Sẽ có một số vết sưng ở vị trí ban đầu. Tín hiệu đầu vào được truyền trực tiếp qua hai điện trở 200 ohm. Nó có thể được tránh bằng cách cải thiện một chút mạch. Nó không liên quan gì đến các vấn đề mà chúng ta sẽ thảo luận dưới đây. Nó là 1MHz.

Bước 8:

Dạng sóng này rõ ràng là khác với mạch ống kép. Mạch hai ống có độ trễ khoảng 40 ns ở tần số này, và độ trễ của mạch ống đơn này là 80 ns và có tiếng chuông. Lý do là op amp hoàn toàn mở trước khi diode được bật và đầu ra của nó gần với điện áp cung cấp âm, vì vậy một số bóng bán dẫn bên trong của nó phải ở trạng thái bão hòa sâu hoặc trạng thái tắt. Khi đầu vào vượt qua 0, các bóng bán dẫn ở trạng thái "ngủ sâu" đầu tiên sẽ "thức dậy", và sau đó điện áp đầu ra được nâng lên diode với tốc độ quay vòng.

Ở tần số thấp hơn, tốc độ tăng của tín hiệu đầu vào không cao, do đó ảnh hưởng của các quá trình này không được thể hiện (như trường hợp 100k ở trên), và sau khi tần số cao, tốc độ tín hiệu ở đầu vào lớn., do đó "đánh thức" bóng bán dẫn. Điện áp hoặc dòng điện kích thích sẽ tăng lên, gây ra hiện tượng đổ chuông.

Bước 9:

5 MHz. Về cơ bản không có cải chính ở tần số này.

Bước 10: Kết luận

Dựa vào các thí nghiệm trên, có thể rút ra các kết luận sau:

1. Khi tần số rất thấp, tính phi tuyến của diode bị loại bỏ bởi phản hồi tiêu cực của độ sâu op amp, và bất kỳ mạch nào cũng có thể có được hiệu ứng chỉnh lưu tốt.

2. nếu bạn muốn đạt được chỉnh lưu chính xác tần số cao hơn, mạch đơn ống là không thể chấp nhận được.

3. ngay cả với mạch ống kép, tốc độ quay và băng thông của amp op sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác chỉnh lưu ở tần số cao hơn. Thử nghiệm này tạo ra mối quan hệ thực nghiệm trong các điều kiện nhất định: nếu độ phẳng của đầu ra được yêu cầu là 3 dB, thì băng thông vòng kín của mạch (không phải GBW của op amp) lớn hơn ít nhất ba lần so với tín hiệu cao nhất tần số. Vì băng thông vòng kín của mạch luôn nhỏ hơn hoặc bằng GBW của op amp, nên việc chỉnh lưu chính xác tín hiệu tần số cao yêu cầu op amp GBW rất cao.

Đây cũng là một yêu cầu đối với độ phẳng đầu ra là 3 dB. Nếu yêu cầu độ phẳng đầu ra cao hơn trong dải tín hiệu đầu vào, thì tần số đáp ứng của amp op sẽ cao hơn.

Các kết quả trên chỉ thu được trong các điều kiện cụ thể của thử nghiệm này và tốc độ quay của amp op không được xem xét, và tốc độ quay rõ ràng là một yếu tố rất quan trọng ở đây. Vì vậy, mối quan hệ này có được áp dụng trong các điều kiện khác hay không, tác giả không dám phán xét. Làm thế nào để xem xét tỷ lệ quay vòng cũng là câu hỏi tiếp theo sẽ được thảo luận.

Tuy nhiên, trong mạch chỉnh lưu chính xác, băng thông của amp op phải lớn hơn nhiều so với tần số cao nhất của tín hiệu.