VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BNĚ BNO UNIVESITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTOTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTICAL ENGINEEING AND COMMUNICATION DEPATMENT OF TELECOMMUNICATIONS NELINEÁNÍ OBVODOVÉ STUKTUY S POUDOVÝMI AKTIVNÍMI PVKY BAKALÁŘSKÁ PÁCE BACHELO'S THESIS AUTO PÁCE AUTHO LUKÁŠ LANGHAMME BNO 2010

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BNĚ BNO UNIVESITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTOTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTICAL ENGINEEING AND COMMUNICATION DEPATMENT OF TELECOMMUNICATIONS NELINEÁNÍ OBVODOVÉ STUKTUY S POUDOVÝMI AKTIVNÍMI PVKY NON-LINEA CICUIT STUCTUES WITH ACTIVE CUENT ELEMENTS BAKALÁŘSKÁ PÁCE BACHELO'S THESIS AUTO PÁCE AUTHO VEDOUCÍ PÁCE SUPEVISO LUKÁŠ LANGHAMME Ing. JAOSLAV KOTON, Ph.D. BNO 2010

3 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BNĚ Faklta elektrotechniky a komnikačních technologií Ústav telekomnikací Bakalářská práce bakalářský stdijní obor Teleinformatika Stdent: Lkáš Langhammer ID: očník: 3 Akademický rok: 2009/2010 NÁZEV TÉMATU: Nelineární obvodové strktry s prodovými aktivními prvky POKYNY PO VYPACOVÁNÍ: Seznamte se a popište vlastnosti prodových aktivních prvků. Na základě známých řešení pak s těmito aktivními prvky navrhněte obvody pracjící jako diodové okrajovače, tvarovače, jednocestné a dvocestné směrňovače. Vyžitím vhodného software vybraná zapojení simljte a srovnejte jejich vlastnosti se stávajícími obvodovými řešeními vyžívající operační zesilovače. Na základě výsledků simlací vybrané zapojení prakticky realizjte. DOPOUČENÁ LITEATUA: [1] Gift, S.J.G., Mandy, B.: "Versatile Precision Fll-Wave ectifiers for Instrmentation and Measrements," IEEE Trans. Instrm. Meas., vol. 56, pp , [2] Gift, S.J.G.: "A high-performance fll-wave rectifier circit," Int. J. Electron., vol. 87, no. 8, pp , Termín zadání: Termín odevzdání: Vedocí práce: Ing. Jaroslav Koton, Ph.D. prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Předseda oborové rady UPOZONĚNÍ: Ator bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce poršit atorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích atorských práv osobnostních a msí si být plně vědom následků poršení stanovení 11 a následjících atorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z stanovení části drhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoník č.40/2009 Sb.

4 ANOTACE Tento projekt se zabývá nelineárními obvodovými strktrami s prodovými aktivními prvky. Úvod práce se zabývá popisem prodového konvejer. Dále se text věnje problematice obvodů pro zpracování signálů v analogové technice. Nejdříve jso popsány obvody diodových omezovačů a měničů. Velký důraz je kladen na směrňovače s prodovými aktivními prvky. V závěr práce jso realizovány obvody niverzálního přesného dvocestného směrňovače s požitím operačního zesilovače a prodového konvejer a provedeno jejich srovnání. Klíčová slova: směrňovač, prodový konvejer, operační transkondktanční zesilovač, prodový sledovač, diodový omezovač a měnič ABSTACT This thesis deals with non-linear crcit strctres with crrent active elements. In its introdction this work deals with a description of the crrent conveyor. Frther the text pays attention to the possiblities of the circits for modification signals in analoge technology. First are described circits of diode limiters and transdcer. Great attention is paid to the amplifiers with crrent active parts. In conclsion are realized circits of niversal precise fll-wave rectifiers sing operational amplifier and crrent conveyor and made comparisons. Keywords: rectifier, crrent conveyor, operational transcondctance amplifier, crrent folower, diode limiter and transdcer

5 LANGHAMME, L. Nelineární obvodové strktry s prodovými aktivními prvky. Brno: Vysoké čení technické v Brně, Faklta elektrotechniky a komnikačních technologií, s. Vedocí bakalářské práce Ing. Jaroslav Koton, Ph.D.

6 Prohlašji, že svoji bakalářsko práci na téma: Nelineární obvodové strktry s prodovými aktivními prvky jsem vypracoval (-a) samostatně pod vedením vedocího bakalářské práce s požitím odborné literatry a dalších informačních zdrojů, které jso všechny vedeny v seznam literatry na konci práce. Jako ator vedené bakalářské práce dále prohlašji, v sovislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporšil (-a) atorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl (-a) nedovoleným způsobem do cizích atorských práv osobnostních a jsem si plně vědom (-a) následků poršení stanovení 11 a následjících atorského zákona č.121/2000sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z stanovení 152 trestního zákona č.140/1961sb. V Brně dne... Podpis atora...

7 Obsah Úvod Popis prodového konvejor (CC) Definice Diodové omezovače s požitím CC Diodové fnkční měniče Usměrňovače s požitím prodových konvejorů Vysoko-frekvenční přesný dvocestný směrňovač Teplotně nezávislý dvocestný směrňovač Dvocestné můstkové směrňovače s požitím CC Můstkový směrňovač Upravený můstkový směrňovač Dvocestné přesné směrňovače s požitím sledovačů Dvocestný směrňovač s DOCF Upravený obvod s napěťovým sledovačem Usměrňovače založené na operačním transkondktančním zesilovači (OTA) Jednocestný směrňovač Dvocestný směrňovač Univerzální přesný dvocestný směrňovač Teorie a simlace ealizace a měření Závěr Seznam požitých veličin, symbolů a zkratek Seznam požité literatry

8 Úvod Práce se zabývá nelineárními obvodovými strktrami s prodovými aktivními prvky, s tím, že jsem se zaměřil především na směrňovače z důvod jejich důležitosti zpracovávání signálů v analogové technice. V sočasné době, kdy se snižje napájecí napětí z důvodů snížení spotřeby a možnosti napájení z baterií, dochází ke snižování šmové odolnosti obvodů. Proto se návrháři v analogové oblasti začínají orientovat především na prvky zpracovávající signál v prodovém nebo smíšeném režim. Požitím prodových aktivních prvků se snažíme docílit zvýšení výkonnosti obvodů. Kapitola 2 a 3 je věnována obvodům diodových omezovačů a měničů s požitím prodového aktivního prvk konkrétně prodového konvejer CCII+. V kapitole 2 jsem vybral několik obvodů diodových omezovačů a nahradil operační zesilovač prodových konvejerem. V kapitole 3 jsem na základě vybraného obvod diodového měniče navrhl dvě řešení obvod s požitím prodového konvejer. Fnkčnost obvodů je teoreticky ověřena simlacemi. V kapitolách 4, 5 a 6 jso prezentovány směrňovače, které požívají jako aktivních prvků prodových konvejerů, prodových sledovačů a transkondktančních operačních zesilovačů. Dále jso vedeny obvodové úpravy pro teplotní kompenzaci, zvýšení rychlosti přeběh přednastavením diod do blízkosti jejich vodivého stav pomocí napěťových nebo prodových zdrojů, snížení citlivosti obvod na výkyvy nastavovacího napětí a snížení velikosti zbytkového výstpního napětí. Kapitola 7 se věnje samostatném návrh niverzálního přesného dvocestného směrňovače s požitím prodového knovejor CCII+ a jeho srovnání s obvodem realizovaným pomocí operačního zesilovače THS

9 1 Popis prodového konvejor (CC) Protože většina obvodů v tomto dokment požívá jako aktivní prodový prvek prodový konvejor, je namístě vysvětlit pojem prodový konvejor a popsat jeho fnkci. 1.1 Definice Prodový konvejor (dále jen CC) lze podobně jako operační zesilovač (OZ) považovat za niverzální analogový prvek rčený pro požívání v různých fnkčních blocích pro zpracování analogového signál. Jedná se o obvod, který se v mnoha směrech podobá klasickém napěťovém zesilovači, ale představje alternativní metody implementování analogových systémů, které jso obvykle bdovány s napěťovými zesilovači. Bylo prokázáno, že hlavní výhoda CC oproti běžným OZ, je, že jso schopné poskytnot větší šířk pásma a lepší přesnost [1]. Dalšími jejich přednostmi jso malá tepelná citlivost, jednodšší nastavení offsetového napětí na výstp, malé zkreslení při nlovém přenos. Na obrázk 1.1 je vedena schematická značka pro CC drhé generace (CCII). Obr. 1.1: Schematická značka CCII+ iy i Z X A i 0 0 i 0 Y X Z. (1.1) V podstatě je CCII tři-pólová síť, jejíž vlastnosti lze popsat rovnicí (1.1). Matice dává napětí a prody, které popisjí chování CCII, kde znaménka pls a mins prodového přenos A i, značí CCII+ a CCII a pro A i se předpokládá, že je rovné jedné. Zařízení se skládá z nízké impedance, virtální země, prodové vstpní/napěťové výstpní svorky X, vysoko-impedanční napěťové vstpní svorky Y a prodové výstpní svorky Z. Napětí na vstp X je sledováno z vysokoimpedančního vstp Y, zatímco prod je ze vstp X zrcadlen na výstp Z. Pro strktry CCII+ a CCII platí: CCII : I X I Z (1.2) CCII I X I. (1.3) : Z 3

10 2 Diodové omezovače s požitím CC Diodové omezovače jso obvody vyžívající diody jako prvek, který má výrazno nelineární V-A charakteristik, ktero lze s výhodo vyžít pro tvarování signálů. Dioda zůstane zavřená, při vstpním napětí VST, které je menší než napětí omezovací U OM, a má velký odpor v závěrném směr Z. Překročí-li vstpní napětí hodnot napětí omezovacího, dioda se otevře a její odpor poklesne na hodnot odpor v propstném směr P a výstpní napětí omezovače se začne měnit úměrně k vstpním napětí, popřípadě je tom naopak podle drh zapojení. Velikost omezovacího napětí je možno pravit přidáním napěťového řízení U Ř a poměr odporového děliče Strmost pak velikostí vstpního a zpětnovazebního odpor. Vhodným zapojením diod a kombinací vstpního a referenčního napětí lze získat charakteristik omezovače ve všech čtyřech kvadrantech. Aby se zmenšili dynamické chyby omezovače, je třeba požívat v jeho obvod rezistorů s co nejmenší hodnoto, bez parazitních kapacit a indkčností, diody s malo kapacito přechod a operační zesilovače s velko šířko pásma a velko sledovací rychlostí. [8] Nahrazením operačního zesilovače prodovým konvejerem tedy docílíme rozšíření požitelnosti omezovačů. Pro omezovače je ntné brát v úvah prahové napětí diody U P popřípadě i velikost jejího odpor propstném směr P nelze-li zanedbat vůči ostatním odporům. Na Obr. 2.1 je znázorněn invertjící dolní okrajovač a průběh výstpního napětí v závislosti na vstpním. Při VST <U OM je dioda zavřená a výstpní napětí má hodnot U 2A. Když je ale VST >U OM tak se dioda otevře a výstpní napětí klesá úměrně se zvyšováním vstpního napětí. Obr. 2.1: Invertjící dolní okrajovač Dále Obr. 2.2 je invertjící horní okrajovač a závislost výstpního napětí na vstpním. Při VST <U OM je dioda otevřená a výstpní napětí klesá úměrně se vstpním napětím. Při překročení U OM již výstpní napětí neklesá a zůstává na hodnotě U 2A. 4

11 Obr. 2.2: Invertjící horní okrajovač Velikost omezovacího napětí U OM a strmost jso pro oba obvody rčeny rovnicí (2.1). U OM U tg (2.1) Další možné zapojení je například invertjící vykrajovač na Obr Hodnoty omezovacího napětí se dají vypočítat podle (2.2). Obr. 2.3: Invertjící vykrajovač U OM 1 U a U OM 2 U (2.2) 5

12 Zpětnovazební nesoměrné omezovače z Obr 2.4 požívají ve zpětné vazbě diod a jso popsány rovnicí (2.3). Chceme-li soměrný omezovač, získáme jej spojením dvo nesoměrných omezovačů rčených pro opačno polarit vstpního napětí. Obr. 2.4: Nesoměrné omezovače tg tg2 UOM U (2.3) Ve zpětné vazbě omezovače můžeme požít například i Zenerovy diody jak je znázorněno na Obr. 2.5 a požívat tak omezovač s úrovněmi omezení danými prahovým napětím U P a Zenerovým napětím U Z dané diody. Obr. 2.5: Obostranný omezovač napětí se zenerovo diodo 6

13 3 Diodové fnkční měniče Ve fnkčních měničích se daná fnkce y=f(x) nahrazje fnkcí jednodšší, která se v važovaném interval liší od fnkce původní o povoleno chyb a přitom se snadno modelje dostpnými technickými prostředky. Takový způsob nahrazení dané fnkce se nazývá aproximací fnkce. V analogových fnkčních měničích aproximjeme dano fnkci nejčastěji lomeno čaro y=φ(x), složeno z konečného počt přímkových neboli lineárních úseků. Vyžíváme při tom spínání diod, které jso nejdříve rozpojeny a při zvyšováním vstpního napětí se postpně spínají a mění tak strmost výstpní fnkce, která je daná vhodno kombinací rezistorů pro dané vstpní napětí. Body lomené čáry P 0 (x 0,y 0 ), P k (x k,y k ), P N (x N,y N ) lezí na F(x) nebo mimo ni.[9] Aproximjící fnkce dělíme na: Konkávní (vydtá) Konvexní(vypoklá) S inflexním bodem (F (x i =0)) Pro k-tý úsek lomené čáry φ(x) mezi body P k-1 a P k v interval x k-1 <x<x k platí: S k y x k k y x k k y x k1 k1. (3.1) Odpory jednotlivých rezistorů přitom je ntné vzít v úvah, že reálné diody mají nenlové napětí v propstném směr U P 0,6 V. Velikost rezistorů se dá vypočítat podle: k Z UP U Kk k ( Sk Sk ) Xk 1U 1 P, (3.2) kde Z je rezistor ve zpětné vazbě aktivního prvk a U P je prahové napětí diody. Obvod měniče se obvykle zapojje do vstpní nebo zpětnovazební větve operačního zesilovače. Dále se bdeme věnovat poze dynamické převodní charakteristice diodového měniče. Dynamicko převodní charakteristiko se rozmí její měření či zobrazení při relativně rychlých změnách, zpravidla za pomoci spojitého vstpního signál. Diodový měnič na Obr 3.1 převzatý z [10] pracje jako měnič vstpního trojúhelníkového signál na sinsový signál. Z obvod je patrné, že je rozdělen na dva samostatné bloky a to diodový měnič a obvod s operačním zesilovačem. Operační zesilovač je zapojen do obvod jako neinvertjící a složí k oddělení vstpního měniče. Toto zapojení fngje jako dělič vstpního signál. 7

14 Obr. 3.1: Diodový měnič Na Obr. 3.2 je zobrazen navržený obvod s tím, že místo operačního zesilovače zapojeného jako neinvertjící se požije prodový konvejer také v neinvertjícím zapojení. Toto zapojení nepotřebje další úpravy obvod. Obr. 3.2: Upravený diodový měnič s prodovým konvejerem 8

15 Přenos toho obvod je: A (3.3) Další možnost zapojení měniče s prodovým konvejerem je na Obr Zde je aktivní prvek zapojen jako napěťový zesilovač. Prod tekocí do zl X přes 10 se zrcadlí na zel Z. To znamená, že i 1 =i 2. Proto pro tento obvod platí přenos podle (3.5). Obr. 3.3: Upravený obvod s prodovým konvejorem zapojeným jako napěťový zesilovač Pro 1 a VYST platí: 1 i1 10 VYST i211. (3.4) Pro přenos pak platí: A (3.5) Na Obr. 3.4 jso výstpní průběhy nasimlované pro obvody z Obr. 3.2 a 3.3. Na vstp obvod poštíme trojúhelníkové napětí ±5V s frekvencí 2kHz. V případě obvod z Obr. 3.2 jso hodnoty rezistorů: 1 =4,7kΩ, 2 = 5 =182Ω, 3 = 6 =255Ω, 4 = 7 =143Ω, 8 =7,5kΩ, 9 =2,15kΩ, 10 =10kΩ, 11 =17,4kΩ. U obvod z Obr. 6.3 jso hodnoty rezistorů stejné, jen 4 = 7 =100Ω 10 =1kΩ, 11 =2kΩ 9

16 V případě zapojení z Obr. 3.3 dochází k 0,5 voltovém zkreslení, jak je z graf patrné pro kladno i záporno půlperiod výstpního sinsového průběh, což je zřejmě způsobeno vlivem vnitřní strktry prodového konvejer a aktálního zapojení. Vzhledem k tom, že operační zesilovač zapojený v obvod měniče požíval napájení ±15V požitím prodového konvejer docílíme značné úspory energie, protože požívá napájení ±5V. Obvod měl dobré vlastnosti do frekvence 100kHz. Obr. 3.4: Výstpní průběhy pro obvody z Obr. 6.2 a Obr. 6.3 Dalším postpem by byla postpná úprava obvod, aby bylo možné docílit zapojení, ve kterém aktivní prvek představje prodový konvejor zapojený jako prodový sledovač, jak je prezentováno na Obr Na vstp přivádíme trojúhelníkový prod, který se zrcadlí na zel Z prodového konvejor. Výstpní impedance představje strktr měniče. S rostocí velikostí prod, se postpně otevírají diody měniče a tvarjí tak výstpní napětí. Obr. 3.5: Navrhovaný obvod s prodovým sledovačem 10

17 4 Usměrňovače s požitím prodových konvejorů Přesné směrňovače jso důležité stavební bloky pro zpracování signál, úprav a žití nízkoúrovňových signálů. Požitelný rozsah se pohybje od MS přes detektory polarity signál, vzorkovací a držovací obvody, detektory amplitdově modlovaných signálů, stejnosměrné převodníky, generátory špiček až k úrovňovým detektorům v ltraakstice. Klasický problém s konvenčními přesnými směrňovači založených na diodách a operačních zesilovačích je, že během přechod diody z/do propstné a nepropstné oblasti se OZ msí zotavit s konečně malým signálem, vyúsťjící ve výrazné zkreslení při nlovém přenos vstpního signál. Požitím vysoké rychlosti přeběh OZ neřeší tto zásadní nevýhod, protože jde o problém přenos malého signál. Klasické směrňovače jso proto omezeny na frekvenčním výkon hlboko pod zisk pásma nebo f r zesilovače. Na směrňovači vysokofrekvenčního výkon bylo dosaženo zlepšení výkonnosti, požitím technik prodového řízení primárně založených na napájení operačního zesilovače. Problém se však setkal s takovými schématy, že úroveň signál msí být výrazně vyšší, než je velikost řízení, které zarčí přesnost směrnění při vysoké frekvenci a tak opět signál ztratí přesnost, ke kterém dochází při nlovém přenos. Dokonce i s pomocí vysokorychlostní prodové zpětné vazby zesilovače je výkonnost stále omezena na několik desítek kilohertz, což je výrazně pod f ZV se ktero prodová zpětná vazba zesilovače pracje. Přesné dvocestné směrňovače požívají prodové konvejory nabízející rychlostní zlepšení, protože diody nejso již požity v záporné zpětné vazbě.[2] 4.1 Vysoko-frekvenční přesný dvocestný směrňovač Na obr. 4.1 [2] je znázorněn vysoko-frekvenční dvocestný směrňovač složený ze dvo prodových konvejor CCII ve formě diferenciálního převodník U-I prezentovaný v [2]. Diferenciální napětí na rezistor 1 vytváří prod I, který je následně zrcadlen na výstpní Z zly. Obr. 4.1: Vysoko-frekvenční přesný dvocestný směrňovač Během kladné půlvlny, výstpní prod s hodnoto VST / 1 vytéká z Z-zl CCII1 a do Z-zl CCII2, což činí aktivní poze D 4 a D 2. Vzhledem k tom, že je D 2 aktivní, prod z Z-zl CCII1 teče skrze výstpní odpor 2, čímž VYST = VST. Během negativní půlvlny, jso aktivní poze D 3 a D 1, a výstpní prod z CCII2 je směrován do 2 čímž VYST = VST. Přestože má CCII velmi velko šířk pásma až 100MHz, jeho výkon je i přes velko rychlost přeběh omezen kvůli malým signálům při 11

18 nlovém přenos, kdy jso diody zavřeny důsledkem čehož diferenciální převodník U-I přehází na vysoce ziskový napěťový diferenciální zesilovač. Architektra prodového konvejor je v podstatě vstpní transkondktanční fází prodové zpětné vazby operačního zesilovače, a tak má podobný průběh rychlosti přeběh. Sledovací charakteristika je taková, že poskytje malý prod řídící změny pro malé vstpní napětí, na rozdíl od téměř neomezeného prodového řízení pro velké vstpní signály. To vede k malé přenosové rychlost pro nízko-úrovňové signály.[2] Vylepšený vysoko-frekvenční přesný dvocestný směrňovač je zobrazen na Obr. 4.2 [2]. Abychom dosáhli co nejmenšího zkreslení způsobeného malými vstpními signály přesného směrňovače založeného na CC, obvod msí být praven tak, aby na výstp z konvejor byla mnohem nižší napěťová odchylka. Možným řešením je vykompenzovat výstp konvejor tím, že požijeme zdroj stejnosměrného napětí pro přednastavení diod blízko jejich vodivostního stav, jak je navrženo v [2]. Obr 4.2: Upravený obvod přesného dvocestného směrňovače Napětí na anodě diody D 1 a D 4 jso ovlivněna referenčním nízko-impedančním napětím zdroje U Ř. Natavíme-li napětí tohoto zdroje na U Ř = 0.6V, získáme pro každo diod přednastavené řídící napětí blízko jejich vodivostního stav. Vylepšené schéma poskytje tříd AB napěťového řízení tak, aby všechny diody byly na hraně vodivosti při nlové vstpní vodivosti. 4.2 Teplotně nezávislý dvocestný směrňovač U napěťově řízené křemíkové diody je klidový prod silně teplotně závislý. Jak již bylo vedeno dříve hlavní nevýhoda směrňovačů založených na prodových konvejorech se týká zpoždění tvořené diodo, při přepínání mezi otevřeným a zavřeným stavem. Řešením tohoto problém bylo přidání stejnosměrného napěťového zdroje, jak je vedeno v kapitole 4.1, pomocí něhož před-nastavjeme diody do stav blízko jejich vodivosti. Bohžel, tento směrňovač s napěťovým nastavením diod vykazje špatné teplotní charakteristiky. Další nevýhodo je, že jakékoli zkreslení nastavovacího napětí U Ř, se přidá přímo na stejnosměrné zbytkové napětí na výstpním zl. 12

19 Požitím stejnosměrného prodového zdroje k nastavení směrňovacích diod dosahjeme vyšší teplotní stability. Výstpní ofsetové napětí je snadno řízeno a praveno tak, aby mělo minimální hodnot. Teplotní závislost I-U charakteristiky vyplývá hlavně z parametrů I S (satračního prod) a U T (teplotního napětí) z charakteristické rovnice [3]: I I S U exp UT. (4.1) Protože: I T S 3 U exp U g T a U T kt q, (4.2) kde U g je odstp pásma napětí na absoltní nl (U g = 1.205V pro Si.) Přepsání rovnice (4.1) na: U U T ln I I S (4.3) a diferencováním rovnic. (4.1) a (4.3) s ohledem na teplot na znázornění teplotní závislosti, pak: 1 1 di dt U konst. 1 Ug U 3, T UT (4.4) 1dI 1dT U konst. 1 Ug U 3 U T T UT U. (4.5) Pro klidový prod podstatně vyšší, než I S můžeme předpokládat U T /U <<1 (U T = 26mV při pokojové teplotě), aby: 1 U du dt I konst. 1 I di dt U konst. (4.6) a tato nerovnost znamená, že mnohem lepší teplotní stability lze dosáhnot natavením diod se stejnosměrným prodovým zdrojem, než se stejnosměrným napěťovým zdrojem [3]. V [3] je porovnán provoz dvo obvodů směrňovačů, s napěťovým a prodovým řízením pomocí SPICE simlací s požitím plně tranzistorové úrovně model CCII01 prodového konvejor. Větší teplotní stabilita prodově řízeného obvod není jedino výhodo techniky prodového řízení. Další předností je nižší úroveň offset na výstp, offset je snadněji nastavitelný. Jino výhodo prodového řízení je, že vykazje nižší citlivost na změny nastavení komponentů. 13

20 Stejnosměrný prod I Ř požitý k řízení směrňovacích diod bde nevyhntelně vytvářet stejnosměrné offsetové napětí na výstpním zl. Má-li být offset držen na minimm, msí být * I Ř redkován na nejnižší možno hodnot I schopno zajistit řádné řízení diod, a tím se vyhnot Ř přepínání zpoždění kolem nlového přenos. Na výstp směrňovače je ntné místnit rezistor pro zajištění cesty k zemi pro prodový signál, a pro dano hodnot stejnosměrného prod I takový, aby výstpní zbytkový prod I offset = * I, je dán [3]: Ř I I ln I * 2 Ř * * U T IŘ IŘ S. (4.7) V prodově řízeném obvod, lze offset snadno pravit pomocí rezistor, na rozdíl od napěťově řízeného směrňovače, ve kterém jso offsetová úroveň a řízení přímo vztažené s nastavením stejnosměrného napěťového zdroje pro řízení diod. Obvod pracje dobře na vysokých frekvencích a má výrazně lepší teplotní stabilit a nižší výstpní offset, který je snadno nastavitelný v porovnání s obvodem bez prodového řízení. 4.3 Dvocestné můstkové směrňovače s požitím CC Můstkový směrňovač Ze schémat můstkového směrňovacího obvod s konvejory vedeného na Obr. 4.3 [4] je patrné, že obvod je rozdělen na dva hlavní prvky a to U-I diferenciální převodník následovaný dvocestným translineárním můstkovým směrňovačem. U topologie založené na dvojici prodových konvejorů tvořících diferenciální převodník U-I, následovaný diodovým směrňovačem, docílíme výkonového vylepšení, zejména pokd se diody přednastaví na okraj vodivosti. Avšak vzhledem ke způsob, jakým jso diody nastaveny, tak je obvod teplotně citlivý a citlivý na malé změny nastavovacího napětí a také zobrazení výstpního offset. Výkon nenastaveného most je omezen velmi vysoko dynamicko impedancí tvořeno můstkovými diodami v kritické nlové přenosové oblasti. Uplatněním řídícího napětí na můstek, pomáhá výkon významně snížit maximální dynamicko impedanci tvořeno můstkovým přechodem, ale vyžadje velmi citlivé úpravy z důvod exponenciálního vztah mezi diodovým napětím a prodem. Důsledkem řízení zátěže přímo z můstk při plném výstpním napětí, které se odráží zpět přes můstek, dochází k znehodnocení přesné činnosti prostřednictvím napěťové úpravy výstpních zl prodového konvejor. Řídící prod tekocí v zátěži má také důsledek na výstpní ofsetové napětí. [4] 14

21 Obr. 4.3: Můstkový směrňovač Upravený můstkový směrňovač Problémy změn nastavovacího napětí diod a teplotní citlivosti obvod z kapitoly 4.3.1, moho být vyřešeny obvodovými modifikacemi vedenými na Obr. 4.4 [4]. V novém obvod je výstpní část můstk tvořena z prodově sočtového zl odstraňjící úplně efekt odražené napěťové modlace a následně možňje mnohem větší lineární rozsah. Maximální dynamický odpor diody je rčen přímo jejím řídícím prodem, spíše než napětím, můstková řídící úroveň je jednodše a přesně nastavena prodem bez problémů teplotní nebo nastavovací citlivosti [4]. Přidání rezistor do cesty napájení je metoda generování řídícího prod požitelná pro většin obvodů. Obr. 4.4: Modifikovaný můstkový směrňovač s prodovým řízením Požitím notace z Obr. 4.4, provoz translinearního most vyžadje, aby prody a napětí na diodách byly: i i i i i i i U. (4.8) 2 1 Z Ř 15

22 Sočet pro celo-můstkový výstpní prod I VYST dává: i VYST 2 2 i I. (4.9) Z Ř Protože, i Z = VST / a VYST = I VYST f, bde výstpní napětí: VYST 2 2 ( ) I. (4.10) f VST Ř Přestože přidáním řízení můstk přináší významný přínos pro přesnost průběh, msí nevyhntelně ovlivnit linearit v přenosové oblasti, kde se i Z stává srovnatelné s I Ř., bez ohled na to, jak je řízení můstk platňováno. Naštěstí, je účinek zanedbatelný při nízkém řídícím prod. Obvod má vylepšeno přesnost spojeno s nekritickým nastavením a zvýšený dynamický rozsah získaný prodovým řízením směrňovacího můstk a zatížením s trans-impedančním výstpem. ozšíření této techniky pomocí velmi rychlých konvejorů a Schottkyho diod možní stejný přínos jako snížení dynamické impedance můstk, jež bylo získané na vyšších frekvencích. Metoda je vhodná zejména pro integraci, slibjící vysokorychlostní přesnost směrňovače bez kritických úprav.[4] 16

23 5 Dvocestné přesné směrňovače s požitím sledovačů Bňky jednotkového zisk (Unity gain cell s) jso speciální třído zařízení prodového režim, včetně těch nejjednodšších: sledovačů napětí a prod. Původní úmysl bylo jejich požití jako napěťových bfferů, respektive jako prodových bfferů. Napěťové sledovače (VF) jso již dobře známy z konvenčních napěťových modlačních operací. U provoz prodového režim je napěťový sledovač vytvořen v translinearní technologií s cílem poskytnot zlepšení fnkce.[5] Symbol, pro napěťový sledovače je, znázorněn na Obr. 5.1(a). Prodový sledovač (CF) je nejjednodšší přístroj v prodovém režim. Jeho symbol a náhradní obvod, jso vedeny na Obr 5.1(b) a (c). Zápis pro vstpy a výstpy jso zapůjčené z matice popisjící činnost prodových konvejorů.(5.1) Obr. 5.1: a)symbol napěťového sledovače b)symbol prodového sledovače i VST VYST c)náhradní obvod prodového sledovače 0 0 (5.1) VYST 0 1iVST Varianto prodového sledovače je DOCF (Doble Otpt Crrent Follower) dvo-výstpový prodový sledovač zobrazen na Obr Prody, které protékají skrz, mají opačná znaménka, a jso tak rovny vstpní hodnotě. Jednotlivé zly DOCF jso vedeny jako vstp X, přímý výstp Z+ a invertovaný výstp Z (opak notace prodových konvejorů). Fnkční matice CF je vedena v rovnici (5.2). Obr. 5.2: Dvoj-výstpový prodový sledovač (DOCF) iz i Z X i 0 0 X Z Z (5.2) 17

24 5.1 Dvocestný směrňovač s DOCF K docílení dvocestného přesného směrnění požijeme poze jednoho DOCF, čtyř diod a jednoho nebo dvo rezistorů, které nejso v případě prodového výstp směrňovače ntné. Schéma obvod je vedeno na Obr. 5.3 [5]. Je-li vstpním signálem napětí, msí být přidán rezistor na vstp směrňovače, jak je vedeno na Obr. 5.4 [5]. Obr. 5.3: DOCF s prodovým vstpním signálem Obr. 5.4: DOCF s napěťovým vstpním signálem Když je vstpní prod kladný, diody D 1 a D 4 jso otevřeny a D 2, D 3 zavřeny. Když se polarita vstpního prod změní, D 1 a D 4 jso zavřeny a naopak D 2, D 3 otevřeny. Takže, do rezistor 1 teče pozitivní dvocestně směrněný prod, a negativní teče do 2. Pokd mají být výstpy směrňovače prodové rezistory 1 a 2 nejso ntné a výstpy směrňovacího můstk jso připojeny přímo na zem. Jestliže mají být výstpy napěťové, jso nezbytné jeden nebo oba rezistory. Je vhodné, aby hodnota rezistorů byla zvolena tak malá, jak je možné, aby se zlepšila přesnost při vysoké frekvenci kvůli zl, který tvoří odpor a výstpní kapacita můstk. Výrazy VYST1 a VYST2 jso: VYST1 i i VST VST 1 1 i i VST VST 0 0 (5.3) 18

25 VYST 2 ivst 2 ivst 0. ivst 2 ivst 0 (5.4) Pro diferenciální výstpní napětí platí: i 1 2 VST ivst 0 DVYST VYST1VYST 2, 1 2 ivst ivst 0 kde α a β jso reálné přenosové koeficienty prod menší než 1, ale v její těsné blízkosti. Typické hodnoty jso α = 0,98 a β = 0,96 [5]. 5.2 Upravený obvod s napěťovým sledovačem (5.5) Obr. 5.5: Upravený obvod s napěťovým sledovačem Je-li vstpní impedance směrňovače kritická a/nebo vstpní napětí velmi malé (pod 100mV) nemsí být řešení obvod na Obr. 5.3 a 5.4 přijatelné. Obvod, znázorněn na Obr. 5.5 [5] řeší tento nedostatek přídavným sledovače napětí, který zajistí vysoko vstpní impedanci směrňovače. Aby se zajistila správná činnost obvod, je třeba volit hodnot rezistor i jak je vedeno v [5] v rozmezí,: U I max vfo max vfo i U I max vfo Ř, (5.6) kde max Uvfo představje absoltní velikost výstpního napětí prodového sledovače, max I vfo je maximální prod přípstný na výstp sledovače a I Ř je velikost řídícího prod vstpní části DOCF. Provedení přesného směrňovače v prodovém režim je velmi jednodché, které požívá jako aktivní prvky poze sledovače. Vzhledem ke sníženém počt externích pasivních komponentů, je vhodný pro integraci. Přesnost je velmi dobrá i při vysoké frekvenci. Kromě toho obvody poskytjí jak prodové, tak i napěťové výstpní signály. 19

26 6 Usměrňovače založené na operačním transkondktančním zesilovači (OTA) V této kapitole je pro realizaci směrňovačů požit jako aktivní obvodový prvek operační transkondktanční zesilovač. Obecně platí, že konvenční obvody směrňovače v napěťovém režim jso obvykle založený na požití OZ a diod. Navrhovaný systém v [6] vyžívá vlastnosti diferenčních zesilovačů vnitř operačního transkondktančního zesilovače a vyhýbá se tak požití diod. Proto dvocestný směrňovač požívá OTA jako jediný aktivní prvek obvod. Obr. 6.1: Operační transkondktanční zesilovač Symbol OTA je na Obr. 6.1 s vyznačenými prody a napětími. I Ř je řídící prod, a VST, je vstpní napětí a i VYST výstpní prod. Výstpní prod i VYST může být podán jako: i VYST I Ř, 2 VST UT (6.1) kde U T = KT/q. Nicméně, z (6.1), platí, že pokd I Ř je prod vstpního signál a VST je konstantní stejnosměrné napětí, jenž je mnohem větší, než 2U T nebo VST >> 2U T, ale nižší než maximální běžný rozsah vstpního napětí, tak pro výstpní prod i VYST platí: ivyst I Ř. (6.2) Je třeba poznamenat, že prod I Ř může téct poze do obvod, nebo v pozitivním směr. Naproti tom, pokd VST, je konstantní stejnosměrné napětí, které je mnohem nižší než -2U T nebo VST << 2U T, tak výstpní prod i VYST se teď stane ivyst I Ř. (6.3) Z ovnic. (6.2) a (6.3) vyplývá, že směr, nebo polarita výstpního prod může být řízena stejnosměrným napětím. 6.1 Jednocestný směrňovač Základ jednocestného směrňovače, který vyžívá poze dva OTA je zobrazen na Obr. 6.2 [6]. Skládá se ze dvo OTA a konstantního napěťového zdroje U C. OTA 1 fngje jako U-I převodník, který převádí vstpní napětí VST na prod i 1 = g m1 VST, kde g m1 = I Ř1 /2U T a I Ř1 je řídící prod. 20

27 Výstpní prod i 1 z OTA 1 je teče do OTA 2 jako řídící prod. Z OTA 2 a z (6.1), při konstantním napěťovém zdroji U C >> 2U T, můžeme výstpní prod i 2 vyjádřit jako: i 2 g m1 VST 0 pro pro VST VST 0. 0 (6.4) Na drho stran, když U C << -2U T, výstpní prod i 2 může být podán jako: i 2 gm1 0 VST pro pro VST VST 0. 0 (6.5) Z (6.4) a (6.5) je jasně patrné, že zapojení na obr. 6.2 se chová jako pozitivní a negativní jednocestný směrňovač, který závisí na polaritě řídícího konstantního napěťového zdroje U C. Je třeba poznamenat, že pro dobro směrňovací odezv, by napětí mělo být v rozmezí 200mV VST U NAP. Obr. 6.2: Jednocestný směrňovač tvořený OTA 6.2 Dvocestný směrňovač Zkombinováním dvo jednocestných směrňovacích obvodů můžeme získat dvocestný směrňovač, kde (OTA 1 a OTA 2 ) a (OTA 3 a OTA 4 ) pracjí jako pozitivní popřípadě negativní jednocestné směrňovače. V ideálním případě, jso transkondktanční zisky OTA 1 a OTA 3 stejné, tak, že g m1 = g m3 = g m, kde I Ř1 = I Ř3 = I Ř a g m = I Ř /2U T. Pro VST > 0, moho být prody I 1 a I 3 z OTA 1 a OTA 3, psaný jako: i g g a g g 1 m1 VST m VST 3 m3 VST m VST i. (6.6) 21

28 Prody i 1 a i 3 jso řídící prody OTA 2 a OTA 4. S konstatováním, že v případě U C >> 2U T, OTA 2 a OTA 4 povolí poze kladný prod protékající skrz. To znamená, že pro VST > 0, prody i 2 = i 1 a i 4 = 0. Během VST < 0, prod i 1 je negativní a prod i 2 je pozitivní. Proto, i 2 = 0 a i 4 = i 3. Obr. 6.3: Dvocestný směrňovač tvořený OTA [6] i VYST i i g I nebo Ř 2 4 m VST VST VYST m VST 2UT i g I Ř 2U T VST (6.7) Z rovnice (6.7) je patrné, že obvod může být provozovány jako pozitivní, nebo negativní dvocestný směrňovač řízen polarito U C. Tato výhoda není obvykle obvodů založených na OZ možná. Existjí však dvě hlavní omezení, které se vyskytjí při požívání běžných bipolárnězaložených OTA v design obvod. Prvním omezením je, že vstpní fázi OTA je konvenční diferenční pár, kde diferenciální vstpní napětí je omezeno na méně než 50mV pro lineární operace. Drhým omezením je to, že transkondktanční zisk OTA g m je nepřímo úměrný na teplotě a tak ovlivňje výstpní prod. [6] i i VYST VYST 2U 2U I T T Ř5 1 T T (6.8) Z rovnice (6.8) je vidět, že vliv teploty lze snížit zvýšením hodnoty I Ř5 1. Proto, je schéma založené na kompenzaci. Dvocestný teplotně necitlivý směrňovač s širokým dynamickým rozsah založen na OTA je zobrazen na Obr. 6.4 [6]. OTA 5, které je koncipováno jako elektronicky laditelný odpor, spol s rezistorem 1 fngjí jako dělič napětí. To činí rozdíl napětí VST X na OTA 5 malý a proto zvyšje dynamický rozsah obvod. Napětí na OTA 5 se pak požije jako vstpní napětí pro OTA 1 a OTA 3. [6] 22

29 Obr. 6.4: Kompenzovaný dvocestný směrňovač založený na OTA Z analýzy obvod z Obr. 6.4, může být napětí na zl X napsáno jako [6]: X gm51 1g m5 1 VST (6.9) a prody i 1 a i 3 lze vyjádřit jako: i i g ( VST x) kde gm 1gm3g 1 3 m m. (6.10) Pokd v návrh, necháme g m5 1 >> 1, prody i 2 a i 4 jso přibližně dány: i 2 i 4 gm g m5 1 VST I I Ř Ř5 VST 1 (6.11) a výstpní napětí VYST se rovná: I pro U Ř 2 VYST VST C 2 I Ř5 1 U T (6.12) VYST I Ř 2 I Ř5 1 VST pro U C 2U T. (6.13) 23

30 ovnice (6.12) a (6.13) kazjí, že teplotní závislost transkondktančních zisků g m1 a g m3 jso kompenzovány g m5. Kromě toho se zlepšilo omezení výkyvů vstpního napětí z 2U T na přibližně I Ř5 1. Výstpní napětí VYST lze elektronicky ladit prodovým poměrem I Ř /I Ř5.[6] Šířka pásma navrhovaného obvod byla 50 khz. Omezení operační frekvence navrhovaného směrňovače závisí na chybě při nlovém přenos z důvod přepínání OTA2 a OTA4. Dvocestný směrňovač vyžívá OTA jako jediných aktivních prvků a nevyžívá diod. Úpravo obvod docílíme omezení výkyvů vstpního napětí z 2U T přibližně na I Ř5 1 a teplotní citlivost OTA je také vyrovnána. 24

31 7 Univerzální přesný dvocestný směrňovač 7.1 Teorie a simlace Na Obr. 7.1 [7] je znázorněn obvod dvocestného směrňovače složeného z jednocestného směrňovače založeného okolo OZ 1 a řídící smačního zesilovače nastaveného okolo OZ 2. Tato třída obvodů pracje obecně dobře na nízkých frekvencích, ale vytváří středně velké až velké zkreslení průběhů při frekvencích vyšších než asi 1 khz [7]. K tom dochází, když na přechodovém bod vstpního signál, jso diody zavřené, a proto, OZ pracje bez zpětné vazby. Jak stopá frekvence signál, omezená rychlost přeběh stále více brání OZ rychlém sepntí diod a vede ke zkreslení výsledků. Tento problém je možné překonat požitím CC. Vysoká výstpní impedance prodových konvejorů překoná spínací odpor diody tak, že obvod pracje i při frekvencích vyšších než 100 khz. Šířk pásma je možné rozšířit napěťovým a prodovým řízením Obvody založené na tomto princip mají větší šířk pásma a nižší zkreslení než obvody požívající operační zesilovače, přesnost je horší než obvodů založených na operačních zesilovačích, protože zde dochází k nepřesnosti přenosové fnkce, kvůli odpor r X na invertovaném vstp každého prodového konvejor. Zde odpor r X je málo přesná složka vnitř prodového konvejor. Obr 7.1: Univerzální přesný dvocestný směrňovač Upravený obvod znázorněn na Obr. 7.2 [7] je tvořen dvěma OZ a prodovým konvejorem. Nadále požívá sočtový zesilovač, ale část obvod pracjící jako jednocestný směrňovač je nahrazena jiným s větší přesností a větší šířko pásma. Nový jednocestný směrňovač pracje ve spojení OZ a prodového konvejor v konfigraci označené jako operační konvejor. Přenosová fnkce pro tento směrňovač tvořený spojením OZ a CC je dána: k A, 1s (7.1) kde k je nízko-frekvenční zisk, a τ je časová konstanta OZ, která definje jeho mezní frekvenci. Když je přenosová fnkce. i Z / VST dána jako: 25

32 i Z VST r X 1k (1k ) 1s /(1k ), 1s /(1k ) 1 (7.2) kde: 1 X r 1. (7.3) Zde I Z je výstpní prod na zl Z operačního konvejor, a r X je ekvivalentní odpor na invertjícím vstp prodového konvejor. Když k >> 1, rovnice (7.2) přechází v: i Z VST 1 1s /(1k ). 1s /(1k ) 1 (7.4) Proto lze vidět, že získáme velký zisk OZ odstraněním r X z přenosové fnkce (7.4), a tím docílit zlepšení přesnosti obvod, protože r X je nízko-toleranční komponent.[7] Vysoká výstpní impedance operačního konvejor výstpního terminál pomáhá překonat odpor sepntí diody, tím zvyšje linearit a provozní frekvenci obvod. Jako výsledek, přesný jednocestně směrněný prod protéká přes D 1 při pozitivní polovině cykl vstpního signál VST. Tento signál je sečten v OZ 2 se vstpním signálem majícím relativní váh stanoveno 1 = /2 a 2 = 3 =. Výsledným výstpem z OZ 2 je dvocestně směrněný signál, který je dán: VYST i Z VST. (7.5) Obr. 7.2: Univerzální přesný dvocestný směrňovač s požitím operačního konvejor 26

33 7.3: Univerzální přesný dvocestný směrňovač s požitím prodového konvejor Další úpravo je odstranění operačního zesilovače OZ 1, kde jako jednocestný směrňovač pracje samotný prodový konvejor. Přenosová fnkce pro tento obvod je dána jako: VYST VST. (7.6) Za předpoklad, že: rx 1. 2 (7.7) Vzhledem k tom, že podmínka (7.7) obsahje r X, je tento obvod méně přesný než obvod na Obr 7.2 zahrnjící operační konvejor. Na Obr. 7.4 jso srovnány výstpní směrněné průběhy pomocí počítačového program OrCAD pro obvody z Obr. 7.1 a 7.3. Frekvence vstpního signál byla 25 khz. U obvod s operačními zesilovači je patrné značné zkreslení. Obvod s operačním konvejerem si držel integrit do 50 khz. 27

34 Obr. 7.4: Srovnání nasimlovaných průběhů obvodů s operačními zesilovači THS4052 a prodovým konvejerem OPA ealizace a měření Jako praktická část byly zrealizovány obvody niverzálního přesného dvocestného směrňovače složeného z jednocestného směrňovače založeného okolo OZ 1 a smačního zesilovače nastaveného okolo OZ 2, s požitím operačního zesilovače THS4052C podle Obr. 7.1 a s požitím prodového konvejer OPA861 podle Obr Na Obr. 7.5 pro operační zesilovač THS4052C a Obr. 7.6 pro obvod s prodovým konvejerem OPA861 jso zobrazeny vstpní a výstpní průběhy realizovaných obvodů pro vstpní signál s frekvencí f = 1 khz a aplitdo U PP = 400 mv. 28

35 Obr. 7.5: Průběh vstpního a výstpního signál pro obvod s operačním zesilovačem pro vstpní signál s frekvencí 1 khz a amplitdo 400 mv Obr. 7.6: Průběh vstpního a výstpního signál pro obvod s prodovým konvejerem pro vstpní signál s frekvencí 1 khz a amplitdo 400 mv U obvod s prodovým konvejerem je patrná nevyváženost výstpního signál tvořeného sočtem přímého signál přicházejícím horní větví obvod na smačního zesilovače a jednocestně směrněného signál z směrňovače tvořeného okolo prodového konvejor vzniklá vlivem nepřesnosti přenosové fnkce, způsobené odporem r X na invertovaném vstp prodového konvejer a dále pak ntností dodávat do obvod vstpní offsetové napětí. Tedy i přes volb velmi kvalitních logických obvodů, bylo do obvod ntné dodávat přibližně 14mV offsetového napětí. Tento problém je možné řešit požitím obvodových úprav pro nlování offset, jak je znázorněno na Obr

36 Obr. 7.7: Obvod směrňovače s nlováním vstpního offsetového napětí Přenosová fnkce pro tento obvod je dána jako: VYST VST, (7.8) za předpoklad, že: rx 1. 2 (7.9) Vzhledem k tom, že podmínka (7.9) obsahje r X, je obvod z Obr. 7.3 méně přesný než obvod zahrnjící operační konvejor. Dalším možným řešením je tedy směrňovač na Obr

37 Obr. 7.8: Univerzální přesný dvocestný směrňovač s operačním konvejorem Pro srovnání obvodů směrňovače s operačním zesilovačem THS4052C a prodovým konvejerem OPA861 bylo provedeno měření pro několik frekvencí a amplitd vstpního signál. Na Obr. 7.9 jso znázorněny naměřené výstpní průběhy pro frekvenci vstpního signál 10kHz a amplitdy, a) 50mV, b) 100mV a c) 500mV. Již při kmitočt 10kHz je obvod s operačním zesilovačem patrné zkreslení. Na Obr jso znázorněny výstpní průběhy pro frekvenci vstpního signál 100kHz. U obvod s operačním zesilovačem dochází k výrazném zkreslení nejen z důvod zpoždění diod, ale menších amplitd dochází i ke zkreslení celého tvar signál, obvod s prodovým konvejerem je pozorovatelné velmi malé zkreslení, zvláště pak lépe pozorovatelné pro větší amplitdy. A na Obr jso zobrazeny výstpní průběhy pro frekvenci vstpního signál 1MHz. Pro obvod s OZ pro nižší amplitdy již vůbec nedochází k směrňování a signál s amplitdo 500mV diody spínají téměř v polovině záporné půlperiody. U obvod s CC dochází k výraznějším zkreslení signál. U obvod s prodovým konvejerem se začal výstpní signál zkreslovat přibližně od frekvence 75 khz, což předčilo simlaci, kde byla hraniční frekvence při, které začalo docházet ke zkreslení 50 khz. S požitím řídícího napětí U Ř = 0,5V si obvod dokázal držet dobro stabilit až do frekvence 1,2MHz Tyto měření bylo provedeno pro vstpní signál s amplitdo 400 mv. Řídící napětí diod má tedy významný vliv na snížení zkreslení způsobené zpožděním diod a tak docílíme zvýšení šířky pásma, ve které může směrňovač pracovat. Při požití řídícího prod by jsme dosáhli ještě lepších výsledků. Zatímco obvod poze s operačním zesilovačem projevoval začínající zkreslení již při 5kHz. Pro toto měření měl vstpní signál také amplitdo 400 mv. 31

38 a) b) c) Obr. 7.9: Průběhy výstpních signálů (horní pro obvod s OZ, dolní pro obvod s CC) pro frekvenci vstpního signál 10kHz pro amplitd U PP a) 50mV b) 100mV c) 500mV 32

39 a) b) c) Obr. 7.10: Průběhy výstpních signálů (horní pro obvod s OZ, dolní pro obvod s CC) pro frekvenci vstpního signál 100kHz pro amplitd U PP a) 50mV b) 100mV c) 500mV 33

40 a) b) c) Obr. 7.11: Průběhy výstpních signálů (horní pro obvod s OZ, dolní pro obvod s CC) pro frekvenci vstpního signál 1MHz pro amplitd U PP a) 50mV b) 100mV c) 500mV 34

41 Dále bylo provedeno měření převodových charakteristik pro tyto dva obvody. Pomocí přesného zdroje napětí jsme bylo na vstpy obvod přiváděno napětí v rozsah ±160 mv a odečínáno výstpní napětí obvodů. Na Obr je znázorněna závislost výstpního napětí na vstpním převodové charakteristiky pro směrňovač s operačním zesilovačem THS4052C. Při nlovém napětí na vstp bylo výstpní napětí směrňovače 5,1 mv a přelom při změně polarity vstpního napětí je velmi ostrý. Na Obr je pak převodová charakteristika pro obvod s prodovým konvejorem. Jak je z graf patrné celý průběh je posnt z důvod potřeby dodávat do obvod vstpní offsetové napětí 14 mv. Problém offsetového napětí je řešen výše pomocí obvodových úprav zobrazených na Obr Pro srovnání těchto charakteristik obvod s OZ a CC bylo tedy ntno pro obvod s CC přepočíst sořadnice naměřených hodnot a proto je srovnání přibližné. Detail převodové charakteristiky pro srovnání je na Obr 7.14 modrý průběh náleží obvod s operačním zesilovačem THS4052C červený pak obvod s prodovým konvejorem. Z graf je možné odečíst, že požitím obvod s prodovým konvejorem docílíme menšího zkreslení při nlovém přenos a to přibližně o 2,75 mv. V tomto případě není zlom tak ostrý, jak je tom obvod s operačním zesilovačem. Na Obr.7.15 je převodová charakteristika pro obvod s prodovým konvejorem, kdy požíváme řídící napění U P = 0,5 V, které dopomůže rychlejším spínání diod a tedy získání menšího zkreslení pro vyšší kmitočet vstpního signál. Průběh závislosti je opět posnt z důvod ntnosti dodávat offsetové napětí. Při srovnání obvodů s prodovým konvejorem s řídícím napětím pro diody U P = 0,5 V (představjící červený průběh) a bez řídícího napětí (modrý průběh) na Obr nedocházi již k velkém zmenšení napětí při nlovém přenos rozdíl činil poze přibližně 0,3 mv. Toto srovnání je téže provedeno bez přepočt, aby bylo docíleno co nejpřesnějšího srovnání a nedošlo ke znepřesnění výsledků kvůli přepočítávání sořadnic. Požitím řídícího napětí pro diody získáme tedy mnohem lepší výsledky o oblasti kmitočtů snížením zkreslení způsobeného zpožděním diod, než snížením zkreslení způsobeného při nlovém přenos. Obr. 7.12: Převodová charakteristika pro směrňovač s operačním zesilovačem z Obr

42 7.13: Převodová charakteristika pro směrňovač s prodovým konvejorem z Obr. 7.3 Obr. 7.14: Srovnání převodových charakteristik pro směrňovače s operačním zesilovačem a prodovým konvejorem 36

43 Obr. 7.15: Převodová charakteristika pro směrňovač s prodovým konvejorem z Obr. 7.3 s požitím řídícího napětí pro diody U P = 0,5 V Obr. 7.16: Srovnání převodových charakteristik pro směrňovače s prodovým konvejerem bez a s řídícím napětím pro diody U Ř = 0,5 V 37

44 Závěr V práci jsem v kapitole 5 popsal několik diodových omezovačů s požitím prodového konvejer a vedl nich jejich průběhy závislosti výstpního napětí na vstpním. Navrhntý měnič z kapitoly pracje jako měnič trojúhelníkového signál na signál sinsový a je zobrazen na Obr. 3.2 a 3.3. a nasimlované průběhy na Obr 3.4. V kapitole 7 se věnji vlastním návrh, simlaci a realizaci niverzálního přesného dvocestného směrňovače. V práci jso srovnány naměřené průběhy pro obvod směrňovače s operačním zesilovačem a prodovým konvejerem pro frekvence vstpního signál 10 khz 100 khz a 1 MHz a amplitdy vstpního signál 50 mv, 100 mv, a 500 mv. Byly téže stanoveny hraniční frekvence, při kterých se začíná projevovat zkreslení výstpního směrněného signál způsobené zpožděním diod a to obvod s operačním zesilovačem 5 khz, obvod s prodovým konvejerem 75 khz. Při požití řídícího napětí pro diody si obvod s prodovým konvejerem držel dobro stabilit až do frekvence 1,2 MHz. Bylo dokázáno, že požitím řídícího napětí dosáhneme výrazného zvětšení šířky pásma, ve kterém může obvod pracovat. Dále je vedeno srovnání převodových charakteristik pro obvod s operačním zesilovačem, prodovým konvejerem a prodovým konvejerem s požitím řídícího napětí pro diody. Z důvod ntnosti do obvod dodávat 14 mv offsetového napětí, bylo navrženo obvodové řešení eliminjící tento efekt na směrňovač. Výpis požitých sočástek pro realizaci je veden v příloze. Fnkčnost navržených obvodů byla simlována v program OrCAD Pro simlace byl požit model prodového konvejer OPA861. Dále byl požit model THS4052C operačního zesilovače a diody typ 1N4148 pokd není v text vedeno jinak. Některé ze simlací jso pro názornost vedeny v práci. Obvody s prodovými aktivním i prvky vykazovaly lepší výkonnostní výsledky než původní obvody s klasickými operačními zesilovači. Jmenovitě bylo dosáhnto větší šířky pásma provoz obvodů a větší přesnosti. Přednastavením diod do blízkosti jejich vodivostního stav bylo docíleno zvětšení šířky pásma a menšího zkreslení při přenos malých signálů. Dalšími obvodovými úpravami byla vykompenzována teplotní citlivost, citlivost obvod na výkyvy nastavovacího napětí a snížení zbytkového výstpního napětí. Bylo dosaženo energetické úspory obvod snížením napájecího napětí. Prodové aktivní prvky mají široko vyžitelnost v analogových obvodech od směrňovačů, přes diodové omezovače a měniče až po aktivní filtry a generátory. Prodovým řízením je docíleno větší šmové odolnosti. 38

45 Seznam požitých veličin, symbolů a zkratek CC prodový konvejor (crent conveyor) CCII+/ Prodový konvejer drhé generace OZ operační zesilovač DOCF dvo-výstpový prodový sledovač (doble otpt crent folower) OTA operační transkondktanční zesilovač (operation transcondctance amplifier) VF napěťový sledovač (voltage folower) MS efektivní hodnota (root main sqare) U VST vstpní napětí [V] I VST vstpní prod [A] U VYST výstpní napětí [V] I VYST výstpní prod [A] U Ř řídící napětí [V] I Ř řídící prod [A] X napětí na zl X [V] Y napětí na zl Y [V] Z napětí na zl Z [V] i X prod na zl X [A] i Y prod na zl Y [A] i Z prod na zl Z [A] A i prodový přenos [-, db] f r pracovní frekvence zesilovače [Hz] f ZV frekvence zpětné vazby zesilovače [Hz] r X odpor na invertovaném vstp prodového konvejor [Ω] k nízko-frekvenční zisk [-] τ časová konstanta OZ [s] I S satrační prod [A] U T teplotní napětí [V] U g odstp pásma napětí na absoltní nl [V] T teplota [ ] I offset zbytkový (offsetový) výstpní prod [A] i Z+ prod na zl Z+ [A] i Z- prod na zl Z- [A] Z+ napětí na zl Z+ [V] Z- napětí na zl Z- [V] DO diferenciální výstpní napětí [V] α, β reálné kvantity [-] U absoltní velikost výstpního napětí prodového sledovače [V] max vfo max Ivfo g m K q U OM p Z U Z U P maximální prod přípstný na výstp sledovače [A] transkondktanční zisk [S] Boltzmannova konstanta ( [jolů/kelvin]) Elektrický náboj (1, [C]) omezovací napětí [V] odpor diody v propstném směr [Ω] odpor diody v závěrném směr [Ω] napětí zeyerovy diody [V] Prahové napětí diody [V] 39

46 Seznam požité literatry [1] LIU S.I., WU D. S., TSAO H. W., WU J., TSAY J. H.: Nonlinear circit applications with crrent konvejors. IEE POCEEDINGS-G, Vol. 140, No. 1, FEBUAY [2] TOUMAZOU C., LIDGEY F. J., CHATTONG S :High frekvency crrent konvejor precision fllwave rectifier. IEE 1994, Electronics Letters Online No: [3] HAYATLEH K., POTA S. LIDGEY F. J.:Temperatre independent crrent konvejor precision rectifier. IEE 1994, Electronics Letters Online No: [4] WILSON B., MANNAMA V.:Crrent-mode rectifier with improved precision. IEE 1995, Electronics Letters Online No: I [5] TILIUTE D. E.: Fll-wave crrent-mode precision rectifiers sing nity-gain cells. Electronics and Electrical Engineering.- Kanas: Technologija, No. 7(49). P [6] JONGKUNSTIDCHAI CHAIWAT., FONGSAMUT CHALEMPAN., KUMWACHAA KIATTISAK., SUAKAMPONTON WANLOP. : Fll-wave rectifiers based on operational transcondctance amplifiers. C. Jongknstidchai et al. / Int. J. Electron. Commn. (AEÜ) 61 (2007) [7] GIFT S. J. G., MAUNDY B.: Versatile precision fll-wave rectifiers for instrmentation and measrements, Manscript received December 7, 2005; revised May 3, Digital Object Identifier /TIM [8] KABEŠ K. : Fnkční měniče a násobičky, SNTL 1973 [9] HANÁK P., KUBÁNEK D.: Laboratorní cvičení z Analogové techniky. FEKT VUT v Brně 2007 [10] Analogová technika laboratorní úloha 5: Diodové fnkční měniče. FEKT VUT v Brně 40

47 Příloha1 Seznam požitých sočástek a návrh realizovaných obvodů Obvod směrňovače s operačním zesilovačem Obr. A.1: Schéma obvod směrňovače s operačním zesilovačem 1 = 50Ω 2 = 1k Ω 3 = 1k Ω 4 = 1k Ω 5 = 510Ω 6 = 1k Ω D 1 = 1N4148 D 2 = 1N4148 C 1 = 100µF C 2 = 100µF C 3 = 2,2µF C 4 = 2,2µF OPA = THS4052C M1206 M1206 M1206 M1206 M1206 M1206 MINIMELF MINIMELF C1206 C1206 A/ A/ SO8 41

48 Obr. A.2: Návrh desky plošných spojů (sočástky) Obr. A.3: Návrh desky plošných spojů (cesty) 42

49 Obvod směrňovače s prodovým konvejorem Obr. A.4: Schéma obvod směrňovače s prodovým konvejorem 1 = 50Ω 2 = 510k Ω 3 = 1k Ω 4 = 1k Ω 5 = 250Ω 6 = 50k Ω D 1 = 1N4148 D 2 = 1N4148 C 2 = 100µF C 3 = 2,2µF C 4 = 2,2µF C 5 = 100µF C 6 = 100µF OPA = THS4052C CC = OPA861 M1206 M1206 M1206 M1206 M1206 M1206 MINIMELF MINIMELF C1206 A/ A/ C1206 C1206 SO8 SO8 43

50 Obr. A.5: Návrh desky plošných spojů (sočástky) Obr. A.6: Návrh desky plošných spojů (cesty) 44