2001.05_Szerokopasmowy prostownik aktywny z układem AD8037.pdf
(
248 KB
)
Pobierz
451354678 UNPDF
H
HH
Szerokopasmowy
prostownik aktywny
z układem AD8037
Do czego to służy?
Jak wskazuje tytuł projektu, prezentowany
moduł jest aktywnym prostownikiem dwupo−
łówkowym. Od innych prostowników aktyw−
nych odróżniają go ważne cechy:
− może pracować z sygnałami o częstotli−
wościach ponad 100MHz
− zbudowany jest w oparciu o wzmacniacz
operacyjny, ale nie zawiera diod.
Zakres zastosowań modułu jest bardzo
szeroki. Zazwyczaj będzie częścią większego
urządzenia pomiarowego
sprzężeniem napięciowym, szerokopasmo−
wy, o małych zniekształceniach, z dwoma tak
zwanymi wejściami ograniczającymi. W ka−
talogu opisany jest jako
Voltage Feedback
Clamp Amplifier
, gdzie
clamp
wskazuje na
funkcję ograniczania. Chodzi tu o ogranicze−
nie zakresu napięć wyjściowych.
W typowym wzmacniaczu operacyjnym
napięcie wyjściowe zmienia się w szerokim
zakresie i pożądane jest, by zakres tych zmian
był jak najszerszy, w idealnym przypadku rów−
ny całkowitemu napięciu zasilania. W popular−
nych wzmacniaczach nie jest aż tak dobrze.
Przykładowo przy zasilaniu ±9V napięcie na
wyjściu może zmieniać się w zakresie
–8,4...+7,5V. Produkowane są też wzmacnia−
cze operacyjne, określane
rail−to−rail
, gdzie
zakres napięć wyjściowych jest tylko nieco
mniejszy od napięć zasilania. Zwłaszcza
wzmacniacze operacyjne wykonane w techno−
logii CMOS mają przy braku obciążenia za−
kres napięć wyjściowych różniących się od na−
pięć zasilania o kilkadziesiąt czy nawet kilka−
naście miliwoltów. Wzmacniacze o szerokim
zakresie napięć wyjściowych są stosowane
zwłaszcza przy niskich napięciach zasilania.
We wzmacniaczu z ograniczeniem (
clamp
)
sytuacja jest odwrotna. Tu celowo ogranicza się
zakres zmian napięcia wyjściowego. Właśnie do
tego służą dwa dodatkowe wejścia. Napięcie
wyjściowe będzie zmieniać się tylko w zakresie
wyznaczonym przez napięcia stałe podane na te
dodatkowe wejścia, które można nazwać progra−
mującymi. Przykładowo przy zasilaniu
±5V i przy podaniu na te wejścia programujące
napięć –1V i +1V, napięcie wyjściowe będzie się
zmieniać jedynie w zakresie ±1V. Ilustruje to
ry−
sunek 2
, pokazujący przykładową, uproszczoną
aplikację wzmacniacza nieodwracającego
o wzmocnieniu 2. Sens takiego ograniczania
może wydać się dziwny, jednak wzmacniacze
ograniczające są wykorzystywane w praktyce.
Na potrzeby opisywanego projektu można
stwierdzić w pewnym uproszczeniu, że napięcie
wyjściowe nie może być niższe, niż napięcie
podane na wejście ograniczające oznaczone V
L
.
Kostka AD8036 jest takim właśnie
wzmacniaczem ograniczającym. Jest to układ
dość precyzyjny, bardzo szybki, mający małe
zniekształcenia. Podstawowe parametry ukła−
dów AD8036 oraz AD8037 podane są w
ta−
beli 1
, a rozkład wyprowadzeń na
rysunku 3
.
Wzmacniacz AD8036
różni się od AD8037
głównie tym, że jest
stabilny także przy
wzmocnieniu równym
1. Układ AD8037 jest
nieco szybszy, produ−
cent gwarantuje jego
stabilność przy
wzmocnieniu równym
2 lub więcej.
Jak to działa?
Schemat ideowy modułu pokazany jest na
rysunku 1
. Na pierwszy rzut oka nic nie
wskazuje, że jest to prostownik. Układ połą−
czeń sugeruje raczej, że jest to najzwyczaj−
niejszy wzmacniacz odwracający o wzmoc−
nieniu 1. Cała tajemnica tkwi w wewnętrznej
budowie kostki AD8037(AD8036) i w obwo−
dach końcówki 5, na którą nietypowo podaje
się sygnał wejściowy.
Aby zrozumieć działanie prostownika,
trzeba poznać tę interesującą kostkę. Jest to
bardzo szybki wzmacniacz operacyjny ze
Rys. 3 AD8036/37
Rys. 1 Schemat ideowy
Rys. 2 Sterowanie wzmacniacza
z ograniczeniem
96
Elektronika dla Wszystkich
±
3...
±
6V
Pobór prądu ok. 20mA
Wejściowe napięcie niezrównoważenia
typ.
±
2mV
Prąd polaryzacji wejść
typ. 3...4
µ
A
max 10
µ
A
Wzmocnienie z otwartą pętlą typ 55...60dB
Pasmo małosygnałowe AD8036 typ. 240MHz
Pasmo małosygnałowe AD8037 typ. 270MHz
Szybkość narastania AD8036
1200V/
µ
s
Szybkość narastania AD8037
1500V/
µ
s
Szumy wejścia 4,5...6,7nV/(Hz) 2,1...2,2pA/(Hz)
Nieliniowość fazy w paśmie 0....200MHz 1,1deg
Zakres napięć ograniczających (Uzas=
±
5V)
obecność rezystora na
wejściu nieodwracają−
cym. Właśnie dlatego
rezystor R3 o wartości
100Ω jest, wbrew po−
zorom, niezbędny i nie
należy go zastępować
zworą. Aby dokładnie
zrozumieć szczegóły,
należałoby zajrzeć do
katalogu i przeanalizo−
wać budowę wewnę−
trzną układu. Dociekli−
wi zapewne zrobią to
we własnym zakresie, niemniej efekt końco−
wy jest właśnie taki, jak pokazuje rysunek 4
i powyższy uproszczony opis.
Ponieważ wzmacniacz jest bardzo szybki,
konieczne jest zastosowanie kondensatorów
odsprzęgajacych umieszczonych możliwie
blisko układu scalonego – zobacz rysunek 1.
Wykorzystując układ należy uwzględnić spa−
dek napięcia na rezystorach szeregowych R4,
R5, by napięcie zasilania kostki wynosiło
około 5V. Typowe napięcie zasilania modułu
(podane na punkty P,O, N) to ±6V. Jeśli układ
ma pracować przy sygnałach o częstotliwości
wielu megaherców, wartości rezystorów R1,
R2 powinny być stosunkowo małe, jak poka−
zuje schemat i wykaz elementów.
Montaż i uruchomienie
Układ można zmontować na małej płytce
drukowanej, pokazanej na
rysunku 5
. Moduł
nie wymaga żadnego uruchamiania i od razu
pracuje poprawnie. Zazwyczaj moduł będzie
zasilany napięciem ±6V lub nieco wyższym,
by napięcie na nóżkach 7, 4 układu scalone−
go wynosiło ±5V lub nieco więcej.
Model
pokazany na
fotografii nie
sprawiał
żadnych kło−
potów i od
razu praco−
wał popraw−
nie. Podczas
testów oka−
zało się jed−
nak, że źródło prostowanego sygnału
zmiennego musi mieć bardzo małą impe−
dancję wyjściową, najlepiej poniżej 1
1/2
1/2
typ. 3,9V
Dokładność ograniczania
typ.
±
3mV
Prąd wejść ograniczających
max
±
70
µ
A
Prąd wyjściowy
do 70mA
Tabela 1
Układy można wykorzystać jak klasyczne
wzmacniacze operacyjne z napięciowym
sprzężeniem zwrotnym. Wtedy wejścia ogra−
niczające (nóżki 5, 8) mają zostać niepodłą−
czone. Uwaga! Funkcja ograniczania powin−
na być wykorzystywana tylko w konfiguracji
wzmacniacza nieodwracającego.
Producent (Analog Devices) zwraca uwagę,
że w przeciwieństwie do wcześniejszych
wzmacniaczy ograniczających, dokładność
ograniczania jest wyjątkowo duża i wynosi kilka
miliwoltów. Oznacza to, że ograniczone napięcie
wyjściowe odbiega od napięcia na odpowiednim
wejściu programującym tylko o kilka miliwol−
tów. Co jest bardzo ważne, funkcja ograniczania
jest prawidłowo realizowana nawet dla sygna−
łów o częstotliwościach powyżej 100MHz. Wła−
śnie te cechy umożliwiają wykorzystanie tego
wzmacniacza operacyjnego w zupełnie nietypo−
wej roli prostownika dwupołówkowego.
Działanie prostownika dwupołówkowego
z rysunku 1 jest proste. Gdy napięcie wejściowe
jest ujemne, wzmacniacz pracuje jako klasyczny
wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu –1.
Tym samym na wyjściu pojawia się napięcie do−
datnie, o amplitudzie takiej, jak ujemne napięcie
wejściowe. Wejście programujące nie ma żadne−
go wpływu na działanie układu. Zupełnie inaczej
jest, gdy na wejście podane jest napięcie dodat−
nie. Wbrew pozorom, wzmacniacz nie jest wte−
dy wzmacniaczem nieodwracającym o wzmoc−
nieniu −1. Napięcie wyjściowe „chciałoby być”
ujemne, ale nie pozwala na to wejście V
L
, na
które podany jest bezpośrednio (dodatni) sygnał
wejściowy. Biorąc rzecz w największym upro−
szczeniu, kluczem jest podane wcześniej stwier−
dzenie, że
napięcie wyjściowe nie może być niż−
sze, niż napięcie podane na wejście ogranicza−
jące V
L
. Wejście programujące V
L
nie pozwala
na pojawienie się na wyjściu napięcia ujemnego,
tylko niejako „ciągnie za sobą” napięcie wyj−
ściowe i podciąga je do poziomu wyznaczonego
przez napięcie na wejściu V
L
. Napięcie wyjścio−
we jest wtedy takie samo, jak (dodatnie) napię−
cie wejściowe. Ilustruje to
rysunek 4
.
Takie wyjaśnienie jest proste i oczywiste,
jednak w rzeczywistości sprawa jest znacznie
bardziej skomplikowana, bo wzmacniacz pra−
cuje w konfiguracji odwracającej, a wtedy
w grę wchodzą jeszcze inne czynniki, w tym
Rys. 5
.
W poprzednim stopniu będzie zazwyczaj
pracował jakiś (szybki) wzmacniacz opera−
cyjny i wtedy problemu nie ma. Jeśli jednak
źródło sygnału miałoby impedancję wyj−
ściową porównywalną z wartościami R1,
R2, amplitudy obu połówek wyprostowane−
go sygnału nie będą równe.
Choć teoretycznie prostownik może pra−
cować przy częstotliwościach ponad 100MHz
i amplitudach do 3,9V, najlepsze parametry
uzyskuje się dla sygnałów o częstotliwo−
ściach od zera do 20MHz i amplitudach do
1V. Przy większych częstotliwościach i am−
plitudach dokładność będzie obniżona.
Ω
Wykaz elementów
R1,R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274
Ω
R4,R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Ω
C1,C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/16V
C3,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiczny
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .AD8037
Rys. 4
Projekt oznaczono dwiema gwiazdkami
nie ze względu na montaż czy uruchomienie,
a jedynie ze względu na fakt, że nie jest to
projekt dla początkujących. Opisany pro−
stownik będzie częścią większej całości,
prawdopodobnie będzie pracował z sygnała−
mi o dużych częstotliwościach, a do budowy
takich układów i projektowania płytek dru−
kowanych wymagane jest pewne doświad−
czenie. Z tego względu układ nie będzie do−
stępny w postaci kitu AVT. O możliwość za−
kupu układu AD8036/AD8037 należy pytać
w Dziale Handlowym AVT lub w poznań−
skiej firmie ALFINE, która jest autoryzowa−
nym dystrybutorem Analog Devices.
Dzięki specyficznej budowie wewnętrz−
nej, funkcja ograniczania działa także przy
sygnałach o częstotliwościach ponad
100MHz. Bardzo dobre wyniki uzyskuje się
jednak w paśmie „jedynie” do 20MHz.
Co ciekawe, w tym układzie pracy
o wzmocnieniu 1 wykorzystano kostkę
AD8037, która według katalogu przeznaczo−
na jest do pracy ze wzmocnieniem co naj−
mniej 2. Jest to jednak zgodne z kartą kata−
logową – AD8037 może śmiało pracować
w takim nietypowym prostowniku aktyw−
nym. Dalsze informacje o układach
AD8036/37 można znaleźć w karcie katalo−
gowej (
www.analog.com
także na stronie
internetowej EdW).
Piotr Górecki
Elektronika dla Wszystkich
97
Zakres napięć zasilania
Ω
R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
Plik z chomika:
witold23
Inne pliki z tego folderu:
2011.02_Pojazd z radarem IR.pdf
(2266 KB)
2011.01_Prosty sterownik pieca c.o.pdf
(2766 KB)
2010.11_Ładowarka procesorowa.pdf
(3055 KB)
2010.11_Kompas elektroniczny.pdf
(6765 KB)
2010.10_Pseudoanalogowy miernik diodowy.pdf
(2861 KB)
Inne foldery tego chomika:
EdW-packed start-02.2011
Elektor
Elektronika dla Informatyków
Elektronika dla wszystkich
Elektronika Praktyczna
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin