Szerekopasmowy prostownik aktywny z układem AD8037.pdf

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

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

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

Zakres napięć zasilania

Ω

R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: