Пути снижения искажений в регуляторах уровня сигнала.

Предыдущая часть

Свинтенок В. А.

  Ограничения, накладываемые типом микросхемы буфера DA2 на нелинейные искажения входного каскада DA1

Как видно из Таблицы 41 на коэффициент гармоник оказывает влияние и тип микросхемы, используемой в качестве буферного каскада DA2. Одна из основных функций буфера DA2 изолировать выход микросхемы DA1 от последующих цепей схемы и обеспечить необходимую мощность для управления напряжением питания микросхемы DA1. Помимо этого буфер DA2 влияет и на максимальное выходное напряжение микросхемы DA1, в связи с чем, предпочтительно в буферном каскаде DA2 использовать микросхему с высоким напряжением питания

Определенные требования накладывают на выбор микросхемы буфера DA2 и ее собственные нелинейные искажения и характер спектра. Гармоники спектра искажений с выхода буфера DA2 проникают через цепи питания на выход микросхемы DA1. Усредненное значение коэффициент ослабления пульсаций по цепям питания для большинства рассматриваемых здесь микросхем находится в области 60дБ на частоте 10кГц – 20кГц, и с ростом частоты еще более уменьшается. Одни составляющие спектра гармоник могут складываться другие вычитаться с собственными составляющими гармониками спектра микросхемы DA1, создавая тем самым при определенных условиях некоторую разнообразность и непредсказуемость спектра гармоник на выходе схемы. В связи с чем, возникает необходимость дать оценку и критерий с целью максимально возможной минимизации этого влияния. И так рассмотрим далее серию экспериментов, показывающих влияние на Кг микросхемы DA1 собственных искажений буфера на примере двух типов микросхем.

В вышеприведенных экспериментах в качестве буферного каскада в основном использовалась микросхема AD811 при входном напряжении два вольта. Рассмотрим поведение этой микросхемы при больших напряжениях на входе схемы и сопоставим ее поведение с буферным каскадом, выполненным на микросхеме LME49710. Амплитудные характеристики входного каскада DA1 на ОУ LME49710 при сопротивлении резистора на входе ОУ 0 и 15кОм и с буферным каскадом на микросхеме AD811 представлены на Рис.117 кривыми красного цвета: «Rвх=0 Буфер1» и «Rвх=15к Буфер1».

Из поведения этих кривых графика видно, что расхождение кривых увеличивается по мере роста амплитуды входного напряжения примерно с двух в начале и до пяти раз в конце графика. Коэффициент гармоник буфера DA2, его амплитудная характеристика, приведена здесь же на Рис.117 кривой голубого цвета. При сопоставлении кривых графика видно также, что наклон кривых «Rвх=15к Буфер1» и «AD811» начиная где-то с четырех вольт практически одинаков. Это и выше сказанное позволяет предположить, что амплитуды гармоник микросхемы AD811 оказывают влияние на коэффициент гармоник входного каскада DA1. С целью обоснования этого предположения на том же графике представлены и амплитудные характеристики того же входного каскада DA1, но с буфером DA2 на микросхеме LME49710 (кривые сиреневого цвета). Как будет показано в одном из последующих экспериментов коэффициент гармоник буфера DA2 на микросхеме LME49710 существенно ниже, чем на микросхеме AD811 в связи с чем, его гармоники на этой микросхеме будут существенно меньше влиять на искажения входного каскада DA1

Из поведения кривых графика «Rвх=0 Буфер1» и «Rвх=0 Буфер2» видно, что они совпадают практически во всем диапазоне входных напряжений, а вот кривые «Rвх=15к Буфер1» и «Rвх=15к Буфер2» совпадают только в начальной точке (два вольта). Это говорит о том, что при входном напряжении до двух вольт спектр гармоник буфера DA2 на микросхеме AD811 слабо влияет на искажения входного каскада DA1, а вот при 4 вольтах и более это влияние уже ощутимо. Из этого экспериментального факта можно задать верхнюю границу значения Кг для буферного каскада DA2, то есть сформулировать критерий его выбора: Кг буфера не должен превышать значения начальной точки кривой «AD811» (Кг = 0,0005%).

В соответствии с ниже приведенными экспериментальными данными, коэффициент ослабления пульсаций по питанию (Косп) для данной микросхемы на частоте 10кГц и при сопротивлении резистора на входе каскада DA1 Rвх = 0 равен Косп = -67дБ. С учетом этого значения коэффициента ослабления пульсаций по питанию, выше приведенного значения величины коэффициента гармоник Кг буферного каскада, и при некотором ослаблении его «жесткости», критерий можно представить в следующем виде:

Кг <0,001% при Косп < -60дБ на частоте 10кГц.

Это соотношение является наиболее «жестким» по отношению к типу микросхем, так как оно получено для ОУ входящего в группу микросхем показывающих наилучшие результаты работы в этом включении. При использовании во входном каскаде иных микросхем с большими собственными искажениями этот критерий может быть снижен (где-то пропорционально увеличению Кг).

Из всего вышесказанного видно, что требования на линейность буферного каскада DA2 при наличии резистора на входе микросхемы DA1 существенно выше. Возможно, этот факт объясняется тем, что при наличии резистора на входе микросхемы у нее снижается Косп. С целью проверки этого предположения был проведен следующий эксперимент. Тестовый сигнал с генератора (10кГц) подавался непосредственно на вход микросхемы DA2, а вход (неинвертирующий) каскада DA1 соединялся с общим проводом непосредственно или через резистор сопротивлением 15кОм. Спектр, снятый таким образом с выхода микросхемы DA1 и при выходном напряжении генератора 4 вольта, приведен на Рис.118, причем кривая спектра белого цвета соответствует сопротивлению резистора на входе каскада DA1 Rвх = 0.

В этом эксперименте: амплитуда первой гармоники генератора при четырех вольтах соответствует значению – -27,5дБ; амплитуда первой гармоники на выходе микросхемы DA1 при Rвх = 0 – -94,6дБ, а при Rвх = 15кОм – -81,3дБ. Исходя из этих данных Косп = -67дБ при Rвх = 0 и Косп = -54дБ при Rвх = 15кОм, уменьшение Косп при включении резистора на входе микросхемы DA1 около 13дБ.

Рассмотрим далее, как влияет выходное сопротивление буферного каскада DA2 (AD811) на коэффициент гармоник микросхемы DA1. С этой целью был проведен эксперимент, результаты которого представлены на Рис.119. В этом эксперименте в качестве ОУ DA1 использовалась микросхема LME49860 при входном напряжении 2 вольта, сопротивления в цепях ее питания Rп = 9кОм. В процессе эксперимента на выходе микросхемы DA2 включались резисторы  соответственно с сопротивлениями 1Ом, 10Ом и 100Ом. Значение выходного сопротивления микросхемы в начальной точке выбрано условно.

Как видно из кривых графиков Рис.119 выходное сопротивление микросхемы DA2 начинает оказывать влияние на коэффициент гармоник входного каскада со значения 10Ом и это влияние так же более сильное при наличии сопротивления на входе микросхемы DA1

Влияние источников питания на Кг выходного сигнала

В схеме используются два симметричных источника питания, один из них формирует напряжение питания микросхемы DA1, второй – буферного каскада DA2.

Источник питания, формирующий напряжение питания испытуемой микросхемы DA1 в тоже время обеспечивает работоспособность и генераторов тока ГТ. Таким образом, в схеме существуют три ограничения, влияющие на максимальное выходное напряжение испытуемой микросхемы DA1 – напряжение питания испытуемой микросхемы DA1, напряжение и����точников Еп и напряжение питания микросхемы DA2.

Рассмотрим далее первое из них. Как показали эксперименты, изменение напряжения питания между ножками микросхемы DA1 с  26 вольт до 32 вольт слабо влияет на искажения выходного сигнала большинства микросхем. С другой стороны отслеживание синфазным сигналом напряжений питания микросхемы DA1 позволяет и при низких их значениях существенно повысить максимальное выходное напряжение сигнала на ее выходе. В связи с чем, ограничения на максимальное выходное напряжение будут накладывать в основном два остальных фактора: это Еп с генераторами тока ГТ и напряжение питания  буферного каскада DA2. Поскольку в экспериментах есть микросхемы и с пониженным напряжением питания то с целью удобства (без перестройки схемы) и с учетом вышесказанного напряжение питания микросхемы DA1 было выбрано равным 27 вольтам (+/- 13,5 вольта).

Чтобы оценить влияние напряжения источников питания Еп  на коэффициент гармоник микросхемы DA1, был проведен эксперимент при пониженном входном напряжении. На графике Рис.120 приведены результаты этого эксперимента с микросхемой LME49860 при входном напряжении два вольта, при сопротивлении резистора на входе микросхемы 0 и 15кОм и с буферным каскадом DA2 на микросхеме AD811.

Как видно из кривых графика изменение коэффициента гармоник вплоть до напряжения 20 вольт практически небольшое, что говорит о весьма слабой зависимости Кг от напряжения питания Еп. Ниже двадцати вольт наблюдается резкий рост искажений и существенное ухудшение характера спектра гармоник выходного сигнала. Он становиться «жестким», «длинным» и слабо затухающим. Здесь, как и в ряде, последующих экспериментах этот резкий рост искажений вызван ограничениями, возникающими в генераторах тока ГТ, то есть, связан с величиной напряжения источников Еп.

Напряжение второго источника питания ограничивается максимально допустимым напряжением питания используемой в качестве буферного каскада микросхемы DA2. При использовании микросхемы AD811 в качестве буферного каскада напряжения источников питания не должны превышать значения +/-18 вольт. Это значение напряжения и было принято во всех экспериментах с этой микросхемой.

Далее на Рис.121 приведены амплитудные характеристики для двух микросхем OP275 и LME49860 с буферным каскадом на микросхеме AD811. Здесь напряжение источников питания Еп было равно +/-25в.

Как видно из кривых графика до напряжения 6 вольт наблюдается «естественный» рост коэффициента гармоник, вызванный как ростом входного напряжения, так и влиянием собственных искажений буферного каскада (только для входного каскада DA1 на ОУ LME49860). А вот далее, начиная с шести вольт, наблюдается довольно резкий рост искажений. Такому характеру поведения коэффициента гармоник соответствует и соответствующий характер поведения спектра: до 6 вольт спектр искажений прекрасный и содержит 2 – 3 гармоники, выше 6 вольт – он «жесткий», длинный и слабо затухающий. И в этом эксперименте резкий рост искажений вызван ограничениями, возникающими в генераторах тока ГТ, то есть величиной напряжения источников Еп.

Еще одна амплитудная характеристика для входного каскада DA1 на ОУ LME49710, но с буферным каскадом на микросхеме LME49710 приведена на Рис.122. Здесь же показана и амплитудная характеристика буферного каскада на микросхеме LME49710. Условия эксперимента здесь несколько иные: напряжение источников питания Еп повышены до +/-30 вольт, исключены шунтирующие резисторы Rп. В данном эксперименте амплитудная характеристика входного каскада DA1 снималась при двух напряжениях питания +/-6,7 вольта и +/-13,5 вольта

Рассмотрим поведение кривых графика Рис.122. Как видно из кривой «LME49710» графика коэффициент гармоник буфера во всем диапазоне входного напряжения с «запасом» укладывается в значение критерия предложенного ранее Кг <0,001%. Быстрый рост гармоник буфера начинается при напряжении на входе 10 вольт, а при напряжении выше 12 вольт буфер входит в режим ограничения выходного сигнала. Кривые графика при напряжении питания +/-6,7 вольта и при напряжении питания +/-13,5 вольта практически совпадают вплоть до входного напряжения 9 – 10 вольт. Дальнейшее их поведение обусловлено различными механизмами ограничения дальнейшего роста выходного напряжения. Механизм ограничения выходного напряжения при напряжении питания +/-6,7 вольта микросхемы DA1 полностью определяется максимальным выходным напряжением буфера DA2 и, следовательно, при использовании в буфере микросхемы с большим напряжением питания позволит еще больше увеличить верхний диапазон входных напряжений. Механизм ограничения входного напряжения при напряжении питания +/-13,5 вольта микросхемы DA1 иной, он определяется напряжением Еп с генераторами тока ГТ. Увеличение напряжения источника Еп до 33 – 35 вольт увеличит в этом случае верхний диапазон входного напряжения до напряжения, определяемого возможностями данного буферного каскада

Из всего здесь вышесказанного следует отметить и следующее, что указанные выше свойства схем с «ПлаНаП» позволяют использовать в ее входных каскадах (DA1) микросхемы с низкими напряжениями питания, и при этом обрабатывать с высокой линейностью входные сигналы с напряжением, существенно превышающими их предельно-допустимые значения

Влияние рассогласования амплитуд входного напряжения и напряжения в цепи питания на  коэффициент гармоник микросхемы DA1

При рассмотрении влияния корректирующей цепочки R3С3 в области высоких частот на коэффициент гармоник на выходе микросхемы DA1 была дана количественная оценка допустимого фазового рассогласования между входным напряжением и напряжением, действующим в цепях ее питания. Здесь, далее, рассмотрим и оценим влияние значения амплитудного рассогласования между этими сигналами на коэффициент гармоник микросхемы DA1

С этой целью был проведен следующий эксперимент, результаты которого в графическом виде представлены на Рис.123. В этом эксперименте в небольших пределах, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения изменялся коэффициент передачи буферного каскада DA2 (LME49710). Эти отклонения коэффициента передачи показаны на графике Рис.123 в сторону увеличения символом «+К», а в сторону уменьшения символом «-К» и приводятся в относительных единицах (в процентах). Входное напряжение в этом эксперименте 4 вольта, сопротивление на входе микросхемы DA1 (LME49860) 0 и 15кОм. Остальные условия те же что и в предыдущем эксперименте

Рассмотрим кривые графика. Из кривых графика Рис.123 видно, что и здесь наблюдается резкий рост коэффициента гармоник при наличии резистора на входе микросхемы DA1 на изменение коэффициента передачи буферного каскада DA2. Существенный рост коэффициента гармоник при сопротивлении 15кОм на входе микросхемы DA1 наблюдается при отклонении коэффициента передачи буферного каскада DA2, где то на 4 процента. Если принять за норму увеличение коэффициента гармоник на выходе микросхемы DA1 при Rвх = 15кОм в два – три раза, то, как видно из кривых графика, относительное отклонение коэффициента передачи буферного каскада DA2 не должно превышать шести – семи процентов. Кроме того, на кривой «Rвх=15к (+К)» графика наблюдается и экстремальная точка – минимум коэффициента гармоник. В этой области с центром в точке 3,5% наблюдается частичная взаимная компенсация различных составляющих искажений наблюдающихся в схеме. Это явление может быть использовано с целью достижения минимальных искажений в схеме, однако оно индивидуально к типу микросхемы и зависит от экземпляра микросхемы, типа микросхемы используемой в буфере, температуры, «прогрева» и режима их работы.

Сводная таблица параметров микросхем в режиме «ПлаНаП»

И так наиболее важные характеристики схемы с «ПлаНаП» рассмотрены. Некоторые из характеристик будут исследованы в последующих схемах, а далее рассмотрим поведение иных микросхем в этой схеме включения. Исходя из ранее полученных предварительных результатов, дальнейшие эксперименты были проведены при следующих условиях: напряжение питания микросхемы DA1 27 вольт (+/- 13,5в), напряжение питания источников Еп = +/-25 вольт, микросхемы DA2 (AD811) - +/-18в, емкость корректирующего конденсатора С3 = 120пФ, в симметричном режиме – 360пФ, сопротивление нагрузки микросхемы DA1 2,5кОм. Увеличение емкости корректирующего конденсатора С3 в «симметричном» режиме, как показал эксперимент, обусловлено тем, что с рядом микросхем в этом режиме схема работает менее устойчиво. Эксперименты проводились на той же установке, в тех же условиях, режимах, входных напряжений, что и в первой, второй част��х статьи. Поскольку «входные» искажения микросхемы DA1 здесь существенно меньше на входах использовались резисторы только с одним номиналом сопротивления 15кОм. Интегрирующая цепочка на входе микросхемы DA1 в этих экспериментах не использовалась.

Ниже, в Таблице 44 приведены результаты соответствующих экспериментов. Напомню значения  сопротивлений резисторов в различных режимах неинвертирующего включения ОУ: R1 = R2 = 0; R1 = 15кОм и R2 = 0 в асимметричном режиме и R1 = R2 = 15кОм – в симметричном режиме. Значения входных напряжений используемых в соответствующих экспериментах приведены в таблице.

Таблица 44.

(*) Возбуждение в неинвертируещем режиме при Rвх = 0, измерено при Rвх = 510Ом.

Рассмотрим данные эксперимента приведенные в Таблице 44. В неинвертирующем режиме (на входах ОУ резисторов нет) наименьший эффект от использования схемы «ПлаНаП» наблюдается у микросхем AD8620 и OPA2211 – уменьшение значение Кг около 1,5 раза (для входного напряжения 2в). Для микросхем OP275, OPA2132, OPA2134 и OPA1642 это уменьшение составляет около двух раз. У микросхемы ADA4627 уменьшение значения Кг при вольте на входе около пяти, при двух вольтах – три раза. Для остальных микросхем усредненное уменьшение значения Кг около десяти (7 – 100).

Исходя из приведенных данных видно, что и в неинвертирующем включении ОУ искажения существенно снижаются у большинства микросхем. Однако наибольший эффект по снижению искажений в предлагаемой схеме по отношению к стандартному включению цепей питания наблюдается при использовании резисторов на входах ОУ – на два порядка и более. У наихудшей в этом отношении микросхемы AD8066 при сопротивлении резистора на входе ОУ 15кОм наблюдается тридцатикратное увеличение искажений, у микросхем LME49880, OPA827 и AD8620 десятикратное увеличение, у остальных – ниже десяти.

Для некоторых микросхем и в этой схеме довольно эффективно и симметрирование входов ОУ. Это относится в основном к микросхемам, имеющим большую разницу коэффициента гармоник в неинвертирующем и асимметричном режимах. У таких микросхем как LM4562, LME49860, LME49990 и LT1468 в симметричном режиме и при двух вольтах на входе искажения не регистрируются.  У микросхем OPA2132, OPA2134 и AD8620 наблюдается некоторое увеличение искажений в симметричном режиме, что вызвано вероятнее всего взаимодействием различных составляющих искажений. Следует отметить, что здесь в симметричном режиме коэффициент гармоник может изменяться не только благодаря симметрии входов, но и из-за введения резистора в цепи ОС (дополнительная составляющая искажений) и возможного изменения Косп. Учитывая это, а также снижающуюся устойчивость схемы с резистором в цепи ОООС и ввиду весьма малых искажений в режиме «ПлаНаП» использование симметричного режима неоправданно. Кроме того, ввиду малости искажений в этом режиме, у ряда микросхем возможны и наблюдаются взаимодействия различных составляющих искажений, в связи с чем, поведение значений коэффициента гармоник здесь не всегда может быть предсказуемо.

Немного о спектре искажений. В целом у всех микросхем наблюдается существенное улучшение «качества» спектра гармоник. Для большинства микросхем он короткий (1 – 4 гармоники), быстро затухающий. Наихудшие спектры наблюдаются в неинвертирующем режиме при входном напряжении 4 вольта у микросхем: OPA2132, OPA2134, OPA1642, ADA4627, OPA2211 – до шести восьми гармоник. У микросхемы AD8066 только в асимметричном режиме наблюдаются восемь гармоник при входном напряжении два вольта. Наилучшие спектры гармоник (1 – 2 гармоники) во всех режимах наблюдаются у следующих микросхем: OPA827, LM4562, LM6171 (Rн = 5кОм), LME49860, LME49710, LME49990, LT1468, OPA627, LME49880, NE5534.

Несколько слов о микросхеме LM6171. Коэффициент гармоник у нее весьма сильно зависит от величины сопротивления нагрузки. В Таблице 44 Кг для этой микросхемы приведены для Rн = 5кОм, при этом ее спектр искажений содержит две гармоники, но с ярко выраженной третьей гармоникой. Из чего следует: дальнейшее увеличение Rн должно привести еще к более лучшему результату, портит спектр искажений выходной каскад. Для сравнения приведу Кг при Rн = 2,5кОм – «шум» при входном напряжении 1 вольт, 0,0000061% для 2 вольт и 0,000014% для 4 вольт, здесь амплитудный спектр гармоник при 4 вольтах содержит уже 5 гармоник.

Рассмотрим далее в качестве примеров поведение Кг в схеме регулятора напряжения в режиме «ПлаНаП» с реальными потенциометрами.

На Рис.124 приведены результаты экспериментов регулятора при использовании в нем в качестве регулирующего элемента потенциометра ALPS с сопротивлением 50кОм. Микросхемы, которые были использованы во входном каскаде DA1 схемы, указаны на графике, входное напряжение 4 вольта, сопротивление нагрузки 2,5кОм.

Как видно из кривых графика «индивидуальное» поведение кривых при изменении коэффициента ослабления регулятора наблюдается лишь в диапазоне 0 – -6дБ. Далее коэффициент гармоник остается практически постоянным и определяется лишь нелинейностью потенциометра. За «эталонную» кривую здесь и в последующих графиках можно выбрать кривую изменения коэффициента ослабления регулятора микросхемы LME49860. Ее «индивидуальность» выражена, по-видимому, только в начальной зоне кривой.

На Рис.125 приведены результаты экспериментов с тем же потенциометром, но с иными микросхемами и при входном напряжении 2 вольта.

Как видно из кривых графиков здесь зона влияния нелинейности ОУ несколько шире – до -10дБ, за которой и здесь Кг определяется нелинейностью потенциометра.

На рисунках Рис.126, 127 приведены результаты экспериментов регулятора сигнала с «ПлаНаП» при использовании в нем в качестве регулирующего элемента дискретного потенциометра с сопротивлением 10кОм  при входном напряжении 4 вольта (Рис.126) и 2 вольта (Рис.127).

Здесь, на обоих графиках, коэффициент гармоник практически полностью для всех используемых здесь микросхем определяется нелинейными свойствами ОУ.

На рисунке Рис.128 приведены результаты еще одной серии экспериментов регулятора сигнала, выполненного по схеме «ПлаНаП» и при использовании в нем в качестве регулирующего элемента «лестничного» аттенюатора с сопротивлением 10кОм  при входном напряжении 4 вольта, причем микросхема LME49880 здесь используется в двух режимах: асимметричном и симметричном включениях.

Как видно из кривых графика Рис.128 и здесь коэффициент гармоник практически полностью определяется нелинейными свойствами ОУ.

Из приведенного выше материала видно, что применение схем регуляторов с «ПлаНаП» существенно повышают линейность ОУ особенно при наличии резисторов на входе микросхем. Однако в данной технической реализации метода есть и слабые звенья: это необходимость использования конденсаторов довольно большой емкости; существует ограничение спектра входного сигнала в области низких частот; некоторая болтанка напряжения питания микросхемы DA1 относительно общего провода.

Учитывая выше сказанное, данную схему и полученные экспериментальные данные следует рассматривать как отправную точку при создании иных схемных решений, что будет рассмотрено далее и здесь.

Свинтенок В. А. <valeks @ rambler . ru>

Продолжение статьи

__________________________________/p>