Une expérience de rectification de précision : 11 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

J'ai récemment fait une expérience sur un circuit de redressement de précision et j'ai obtenu quelques conclusions approximatives. Considérant que le circuit redresseur de précision est un circuit commun, les résultats de cette expérience peuvent fournir des informations de référence.

Le circuit expérimental est le suivant. L'amplificateur opérationnel est AD8048, les paramètres principaux sont: large bande passante de signal de 160MHz, vitesse de balayage de 1000V/us. La diode est une SD101, diode Schottky avec un temps de récupération inverse de 1ns. Toutes les valeurs de résistance sont déterminées par référence à la fiche technique AD8048.

Étape 1:

La première étape de l'expérience: déconnectez D2 dans le circuit ci-dessus, court-circuitez D1 et détectez la réponse en fréquence du signal important de l'amplificateur opérationnel lui-même. Le pic du signal d'entrée est maintenu à environ 1 V, la fréquence passe de 1 MHz à 100 MHz, les amplitudes d'entrée et de sortie sont mesurées avec un oscilloscope et le gain de tension est calculé. Les résultats sont les suivants:

Dans la gamme de fréquences de 1M à 100M, la forme d'onde n'a aucune distorsion significative observable.

Les changements de gain sont les suivants: 1M-1.02, 10M-1.02, 35M-1.06, 50M-1.06, 70M-1.04, 100M-0.79.

On peut voir que la fréquence de coupure de 3 dB en boucle fermée du grand signal de cet amplificateur opérationnel est d'environ un peu plus de 100 MHz. Ce résultat est fondamentalement conforme à la grande courbe de réponse en fréquence du signal donnée dans le manuel de l'AD8048.

Étape 2:

Dans la deuxième étape de l'expérience, deux diodes SD101A ont été ajoutées. L'amplitude du signal d'entrée reste à environ 1 V crête tout en mesurant l'entrée et la sortie. Après avoir observé la forme d'onde de sortie, la fonction de mesure de l'oscilloscope est également utilisée pour mesurer la valeur effective du signal d'entrée et la moyenne de période du signal de sortie, et calculer leur rapport. Les résultats sont les suivants (les données sont la fréquence, la moyenne de sortie mV, l'entrée rms mV et leur rapport: sortie moyenne / entrée rms):

100 kHz, 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

On peut voir que le circuit peut obtenir un bon redressement aux basses fréquences, mais à mesure que la fréquence augmente, la précision du redressement diminue progressivement. Si la sortie est basée sur 100 kHz, la sortie a chuté de 3 dB à environ 30 MHz.

La bande passante à gain unitaire à grand signal de l'amplificateur opérationnel AD8048 est de 160 MHz. Le gain de bruit de ce circuit est de 2, de sorte que la bande passante en boucle fermée est d'environ 80 MHz (décrit précédemment, le résultat expérimental réel est légèrement supérieur à 100 MHz). La sortie moyenne de la sortie redressée chute de 3 dB, soit environ 30 MHz, soit moins d'un tiers de la bande passante en boucle fermée du circuit testé. En d'autres termes, si nous voulons faire un circuit redresseur de précision avec une planéité inférieure à 3dB, la bande passante en boucle fermée du circuit doit être au moins trois fois supérieure à la fréquence la plus élevée du signal.

Ci-dessous se trouve la forme d'onde de test. La forme d'onde jaune est la forme d'onde de la borne d'entrée vi et la forme d'onde bleue est la forme d'onde de la borne de sortie vo.

Étape 3:

Au fur et à mesure que la fréquence augmente, la période du signal devient de plus en plus petite et l'écart représente une proportion croissante.

Étape 4:

En observant la sortie de l'ampli op à ce moment (notez qu'il ne s'agit pas de vo), on peut constater que la forme d'onde de sortie de l'ampli op a une distorsion sévère avant et après le passage à zéro de la sortie. Vous trouverez ci-dessous les formes d'onde à la sortie de l'amplificateur opérationnel à 1 MHz et 10 MHz.

Étape 5:

La forme d'onde précédente peut être comparée à la distorsion de croisement dans le circuit de sortie push-pull. Une explication intuitive est donnée ci-dessous:

Lorsque la tension de sortie est élevée, la diode est complètement allumée, auquel cas elle a une chute de tension de tube sensiblement fixe, et la sortie de l'amplificateur opérationnel est toujours une diode plus élevée que la tension de sortie. À ce stade, l'amplificateur opérationnel fonctionne dans un état d'amplification linéaire, de sorte que la forme d'onde de sortie est une bonne onde d'en-tête.

Au moment où le signal de sortie passe par zéro, l'une des deux diodes commence à passer de la conduction à la coupure, tandis que l'autre passe de l'arrêt à l'activation. Pendant cette transition, l'impédance de la diode est extrêmement grande et peut être approchée comme un circuit ouvert, de sorte que l'amplificateur opérationnel à ce moment ne fonctionne pas dans un état linéaire, mais proche de la boucle ouverte. Sous la tension d'entrée, l'amplificateur opérationnel modifiera la tension de sortie au taux maximum possible pour mettre la diode en conduction. Cependant, la vitesse de montée de l'amplificateur opérationnel est limitée et il est impossible d'augmenter la tension de sortie pour allumer la diode en un instant. De plus, la diode a un temps de transition de on à off ou de off à on. Il y a donc un écart dans la tension de sortie. À partir de la forme d'onde de la sortie de l'ampli op ci-dessus, on peut voir à quel point le fonctionnement du passage par zéro de la sortie est « en difficulté » pour tenter de modifier la tension de sortie. Certains documents, y compris les manuels, disent qu'en raison de la rétroaction négative profonde de l'ampli op, la non-linéarité de la diode est réduite au 1/AF d'origine. Cependant, en fait, près du passage par zéro du signal de sortie, puisque l'ampli op est proche de la boucle ouverte, toutes les formules pour la rétroaction négative de l'ampli op sont invalides, et la non-linéarité de la diode ne peut pas être analysée par le principe de rétroaction négative.

Si la fréquence du signal est encore augmentée, non seulement le problème de vitesse de balayage, mais la réponse en fréquence de l'amplificateur opérationnel lui-même est également dégradée, de sorte que la forme d'onde de sortie devient assez mauvaise. La figure ci-dessous montre la forme d'onde de sortie à une fréquence de signal de 50 MHz.

Étape 6:

L'expérience précédente était basée sur l'ampli op AD8048 et la diode SD101. A titre de comparaison, j'ai fait une expérience pour remplacer l'appareil.

Les résultats sont les suivants:

1. Remplacez l'ampli op par AD8047. La large bande passante du signal de l'ampli op (130MHz) est légèrement inférieure à celle de l'AD8048 (160MHz), la vitesse de balayage est également inférieure (750V/us, 8048 est 1000V/us), et le gain en boucle ouverte est d'environ 1300, ce qui est également inférieur aux 2400 de 8048..

Les résultats expérimentaux (fréquence, moyenne de sortie, valeur efficace d'entrée et rapport des deux) sont les suivants:

1M, 320, 711, 0,45

10M, 280, 722, 0,39

20M, 210, 712, 0,29

30M, 152, 715, 0,21

On peut voir que son atténuation de 3dB est inférieure à un peu à 20MHz. La bande passante en boucle fermée de ce circuit est d'environ 65 MHz, de sorte que la chute moyenne de sortie de 3 dB est également inférieure à un tiers de la bande passante en boucle fermée du circuit.

2. Remplacez SD101 par 2AP9, 1N4148, etc., mais les résultats finaux sont similaires, il n'y a pas de différence substantielle, je ne les répéterai donc pas ici.

Il y a aussi un circuit qui ouvre le D2 dans le circuit comme indiqué ci-dessous.

Étape 7:

La différence importante entre celui-ci et le circuit utilisant deux diodes (ci-après dénommé le circuit à double tube) est que dans le circuit à double tube, l'amplificateur opérationnel n'est qu'à peu près dans un état de boucle ouverte près du passage par zéro du signal, et ce circuit (appelé ci-après circuit à tube unique) Le fonctionnement au milieu est dans un état de boucle complètement ouverte pendant la moitié de la période du signal. Sa non-linéarité est donc nettement plus grave que le circuit double tube.

Voici la forme d'onde de sortie de ce circuit:

100 kHz, similaire à un circuit à double tube, a également un espace lorsque la diode est allumée. Il devrait y avoir des bosses à l'endroit d'origine. Le signal d'entrée est directement transmis à travers deux résistances de 200 ohms. Il peut être évité en améliorant légèrement le circuit. Cela n'a rien à voir avec les problèmes que nous aborderons ci-dessous. C'est 1MHz.

Étape 8:

Cette forme d'onde est clairement différente du circuit à double tube. Le circuit bitube a un retard d'environ 40 ns à cette fréquence, et le retard de ce circuit monotube est de 80 ns, et il y a une sonnerie. La raison en est que l'amplificateur opérationnel est complètement en boucle ouverte avant que la diode ne soit allumée et que sa sortie est proche de la tension d'alimentation négative, de sorte que certains de ses transistors internes doivent être en état de saturation profonde ou d'arrêt profond. Lorsque l'entrée passe à zéro, les transistors qui sont dans l'état de "sommeil profond" sont d'abord "réveillés", puis la tension de sortie est élevée jusqu'à la diode à la vitesse de balayage.

À des fréquences plus basses, le taux de montée du signal d'entrée n'est pas élevé, de sorte que les effets de ces processus ne sont pas affichés (comme c'est le cas avec 100k ci-dessus), et une fois que la fréquence est élevée, le taux de signal à l'entrée est grand, ainsi "réveiller" le transistor. La tension ou le courant d'excitation va augmenter, ce qui provoque une sonnerie.

Étape 9:

5MHz. Il n'y a pratiquement pas de redressement à cette fréquence.

Étape 10: Conclusion

Sur la base des expériences ci-dessus, les conclusions suivantes peuvent être tirées:

1. Lorsque la fréquence est très basse, la non-linéarité de la diode est éliminée par la rétroaction négative de la profondeur de l'ampli op, et tout circuit peut obtenir un bon effet de rectification.

2. si vous souhaitez obtenir une rectification de précision de fréquence plus élevée, le circuit à tube unique n'est pas acceptable.

3. même avec des circuits à double tube, la vitesse de balayage et la bande passante de l'ampli op affecteront sérieusement la précision de la rectification à des fréquences plus élevées. Cette expérience donne une relation empirique sous certaines conditions: si la planéité de la sortie doit être de 3 dB, la bande passante en boucle fermée du circuit (pas le GBW de l'ampli op) est au moins trois fois supérieure au signal le plus élevé. la fréquence. Étant donné que la bande passante en boucle fermée du circuit est toujours inférieure ou égale au GBW de l'amplificateur opérationnel, le redressement de précision du signal haute fréquence nécessite un amplificateur opérationnel GBW très élevé.

C'est également une exigence pour une planéité de sortie de 3 dB. Si une planéité de sortie plus élevée est requise dans la bande de signal d'entrée, la réponse en fréquence de l'amplificateur opérationnel sera plus élevée.

Les résultats ci-dessus n'ont été obtenus que dans les conditions spécifiques de cette expérience, et la vitesse de balayage de l'amplificateur opérationnel n'a pas été prise en compte, et la vitesse de balayage est évidemment un facteur très important ici. Par conséquent, si cette relation est applicable dans d'autres conditions, l'auteur n'ose pas juger. Comment considérer la vitesse de balayage est également la prochaine question à discuter.

Cependant, dans le circuit de redressement de précision, la bande passante de l'amplificateur opérationnel doit être beaucoup plus grande que la fréquence la plus élevée du signal.