Detector de picos de precisión de alta velocidad

Question

Detector de picos de precisión de alta velocidad

diodos
Física
precisión
rectificador
alta velocidad
amplificador operacional

cerdo

Como seguimiento a mi pregunta anterior , donde busco determinar la amplitud de una onda sinusoidal de 2 MHz, me he conformado con una solución basada en un amplificador operacional. Para recordar, mi entrada tiene una amplitud máxima de 240 mV; de hecho, me gustaría ir más bajo que esto, siempre que la precisión de salida no se vea afectada significativamente. Habiendo relajado mis requisitos de precisión para el circuito (estoy dispuesto a aceptar un error del 5% en el valor de amplitud/RMS de la onda sinusoidal), encontré un amplificador operacional más económico, a saber, el MAX4453 . Las principales especificaciones de interés son: ancho de banda de 200 MHz, velocidad de respuesta de 95 V/µs, compensación de entrada típica de 400 µV y corriente de polarización de entrada típica de 800 nA. Maxim proporciona un modelo SPICE para este amplificador operacional.

En principio, después de rectificar la onda, podría filtrar la salida con un filtro de paso bajo y leer el valor de CC $V_{DC}$ , que estaría relacionado con el valor pico $V_{pk}$ por $V_{DC} = V_{pk}/\pi$ para un rectificador de media onda, y $V_{DC} = 2 V_{pk}/\pi$ para un rectificador de onda completa. Por lo tanto, simulé el siguiente circuito (el mismo mencionado en mi pregunta anterior):

Rectificador de onda completa de suministro único de precisión

Determiné que hay algo de distorsión en la onda de salida, especialmente cerca de los cruces por cero, donde $A_1$ cambia entre lazo abierto y cerrado, como se muestra en la siguiente simulación:

Simulación de rectificador de onda completa de suministro único de precisión

Obviamente, tal distorsión introduciría incertidumbre en el valor de $V_{DC}$ y por lo tanto reducir la precisión a la que $V_{pk}$ puede ser determinado.

Por lo tanto, decidí que un detector de picos podría ser una solución más adecuada. Al agregar un condensador de 1 µF a la salida del rectificador anterior, obtengo el siguiente resultado de simulación:

Simulación de circuito detector de picos de precisión

Acercándonos después de que el condensador se haya asentado:

Vista ampliada de la simulación del circuito detector de picos de precisión

El valor promedio de la salida es de ~215 mV frente a una entrada de 240 mV, por lo tanto, alrededor del 10 % de error y, por lo tanto, está fuera de mis especificaciones. Aparentemente, el límite de corriente de salida del amplificador operacional evita que el capacitor de 1 µF se cargue lo suficientemente rápido. La solución obvia sería reducir la capacitancia; desafortunadamente, la alta impedancia de salida de $A_2$ (debido a $R_2$ ) se traduce en una caída excesiva en el condensador.

He probado algunos circuitos alternativos, con resultados similares. En particular, el siguiente circuito rectificador de media onda muy simple parece funcionar tan bien como el circuito anterior:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La impedancia de salida más baja del amplificador operacional en este circuito significa que la caída es aceptable con un capacitor de 1 nF. Aquí está el resultado de la simulación:

Simulación de un circuito detector de picos de precisión simplificado

Acercándonos después de que el condensador se haya asentado:

Vista ampliada de la simulación del circuito detector de picos de precisión simplificado

Está claro que no hay mejora (aunque claro el circuito es más sencillo y económico).

Mis preguntas: ¿hay topologías de circuito alternativas que debería probar, que acercarían la salida al valor máximo de la entrada? ¿Debo buscar otro amplificador operacional? ¿Qué características específicas del amplificador operacional debo tratar de mejorar?

sherrellbc

La impedancia de salida de A2 es la combinación paralela de su propia impedancia de salida y la resistencia de retroalimentación R2, por lo que ciertamente no es alta; La mayoría de los amplificadores operacionales tienen una impedancia de salida de <100 ohmios. En la página 5 de la hoja de datos del MAX4453, la impedancia de salida de este dispositivo es de 0,8 ohmios a 1 Mhz.

cerdo

Este fue mi primer pensamiento al ver el circuito; sin embargo, hay un camino desde la salida a tierra con una impedancia de 10 kΩ (ese es el valor de

R_{2}

$R_2$ en la simulación) en el circuito y, efectivamente, a partir del gráfico, se puede ver una caída de ~2 mV en ~18 µs mientras el condensador se está descargando. Enchufando esto en

I = C d V / d t = 1 µ F \times 2 m V / 18 µ s \approx 111 µ A

$I = C dV/dt = 1 µF \times 2 mV/18 µs \approx 111 µA$ , que es consistente con una impedancia de 10 kΩ. Entonces, tal vez la impedancia de salida no sea el término correcto, sino el efecto de

R_{2}

$R_2$ es, en mi mente, definitivamente allí.

sherrellbc

La impedancia de salida del amplificador está en paralelo con su propia impedancia (~0,8 ohmios) y la resistencia de realimentación R2. Luego coloca un capacitor en la salida que también está en paralelo con R2. Lo que está viendo es la descarga del condensador de salida a través de R2 a la tierra virtual generada por la retroalimentación negativa del amplificador.

cerdo

El punto es que se requiere un capacitor grande en el primer circuito, mientras que un capacitor pequeño es suficiente en el segundo. En mi mente eso tiene que ver con

R_{2}

$R_2$ siendo 1 kΩ (lo siento, no 10 kΩ como dije al principio), mientras que no existe tal resistencia en el segundo circuito, por lo que la caída en el segundo circuito se debe solo a la corriente de polarización del amplificador operacional.

QueRosaBestia

Su afirmación de que la salida de 215 mV para una entrada de 240 mV está fuera de sus requisitos de precisión necesita verificación. Vuelva a ejecutar la simulación para una entrada de 120 mV. Si la salida cae a 107 mV, puede tratar el 215 como resultado de que el factor de escala no es el ideal y compensarlo fácilmente. De hecho, puede producir una tabla de calibración para un rango de voltajes de entrada/salida. La única pregunta entonces sería cómo varía la salida con otras variables como la temperatura.

cerdo

@WhatRoughBeast, el problema que veo con ese enfoque es similar a confiar en un valor específico de beta en un circuito BJT: ¿qué pasa si el GBW o la velocidad de giro del amplificador operacional varía de una parte a otra (dentro de las especificaciones de la hoja de datos, por supuesto) ?

QueRosaBestia

je. "La única pregunta entonces sería cómo varía la salida con otras variables"

HKOB

No leí todo en esta página, pero ¿por qué no amplificas la señal de 200mV en un factor de 15x más o menos? Entonces 25mV < 1%

Respuestas (2)

Detector de picos de precisión de alta velocidad

La impedancia de salida de A2 es la combinación paralela de su propia impedancia de salida y la resistencia de retroalimentación R2, por lo que ciertamente no es alta; La mayoría de los amplificadores operacionales tienen una impedancia de salida de <100 ohmios. En la página 5 de la hoja de datos del MAX4453, la impedancia de salida de este dispositivo es de 0,8 ohmios a 1 Mhz.
Este fue mi primer pensamiento al ver el circuito; sin embargo, hay un camino desde la salida a tierra con una impedancia de 10 kΩ (ese es el valor de $R_2$ en la simulación) en el circuito y, efectivamente, a partir del gráfico, se puede ver una caída de ~2 mV en ~18 µs mientras el condensador se está descargando. Enchufando esto en $I = C dV/dt = 1 µF \times 2 mV/18 µs \approx 111 µA$ , que es consistente con una impedancia de 10 kΩ. Entonces, tal vez la impedancia de salida no sea el término correcto, sino el efecto de $R_2$ es, en mi mente, definitivamente allí.
La impedancia de salida del amplificador está en paralelo con su propia impedancia (~0,8 ohmios) y la resistencia de realimentación R2. Luego coloca un capacitor en la salida que también está en paralelo con R2. Lo que está viendo es la descarga del condensador de salida a través de R2 a la tierra virtual generada por la retroalimentación negativa del amplificador.
El punto es que se requiere un capacitor grande en el primer circuito, mientras que un capacitor pequeño es suficiente en el segundo. En mi mente eso tiene que ver con $R_2$ siendo 1 kΩ (lo siento, no 10 kΩ como dije al principio), mientras que no existe tal resistencia en el segundo circuito, por lo que la caída en el segundo circuito se debe solo a la corriente de polarización del amplificador operacional.
Su afirmación de que la salida de 215 mV para una entrada de 240 mV está fuera de sus requisitos de precisión necesita verificación. Vuelva a ejecutar la simulación para una entrada de 120 mV. Si la salida cae a 107 mV, puede tratar el 215 como resultado de que el factor de escala no es el ideal y compensarlo fácilmente. De hecho, puede producir una tabla de calibración para un rango de voltajes de entrada/salida. La única pregunta entonces sería cómo varía la salida con otras variables como la temperatura.
@WhatRoughBeast, el problema que veo con ese enfoque es similar a confiar en un valor específico de beta en un circuito BJT: ¿qué pasa si el GBW o la velocidad de giro del amplificador operacional varía de una parte a otra (dentro de las especificaciones de la hoja de datos, por supuesto) ?
je. "La única pregunta entonces sería cómo varía la salida con otras variables"
No leí todo en esta página, pero ¿por qué no amplificas la señal de 200mV en un factor de 15x más o menos? Entonces 25mV < 1%

usuario_1818839 · Answer 1

Los rectificadores de precisión a alta frecuencia son sorprendentemente duros, como está descubriendo...

El truco es, ¿qué hace el amplificador cuando el diodo no conduce?

En el segundo circuito, podemos inferir lo que sucede a partir de la forma de onda ampliada.

Cuando el diodo está apagado (V1 < Vout), la entrada Vin+ del amplificador operacional está por debajo de Vin- y no hay NFB, por lo que el amplificador operacional está efectivamente en bucle abierto, impulsando instantáneamente su salida con fuerza contra el riel de suministro -ve.

Cuando Vin+ vuelve a ser positivo (supera Vout, Vin-), el opamp se recupera de esta condición y cambia su salida a positivo lo más rápido que puede... y SOLO comienza a cargar C cuando Vin+ cae por debajo de Vout. (Puedes ver el pequeño pico de carga). Si puede agregar un seguimiento del simulador en la salida del amplificador operacional, verá que esto sucede con mayor claridad. (¡Actualice la pregunta con la trama, tal vez!)

(Puede razonar de manera similar sobre la distorsión de cruce por cero en el primer circuito, aunque el error se limita al voltaje directo en D1, por lo tanto, la recuperación es relativamente rápida)

Entonces, ¿qué hacer al respecto? Esencialmente, asegúrese de que OA1 nunca pierda el control tan gravemente. Una resistencia de alto valor y un diodo en serie, a través de D1 (el diodo que tiene la polaridad opuesta) garantizará que la salida opamp permanezca a solo 2 caídas de diodo del voltaje de salida, brindando una recuperación más rápida (pero no infinitamente rápida) Esto cargará un poco C1 , gracias a la resistencia.

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Alternativamente, use dos diodos en lugar de D1: uno cargando C1, el otro como parte de la red de retroalimentación anterior (que se convierte simplemente en 2 diodos consecutivos, ya no se necesita la resistencia). En esta versión, habrá imprecisión debido a la falta de coincidencia entre los dos diodos "D1"; relativamente pequeño en comparación con lo que ves ahora.

esquemático

^{simular este circuito}

Cuando D1 conduce, D3 mantiene Vin- en (aproximadamente) el mismo voltaje. Cuando D1 se apaga, D2 mantiene la salida algo bajo control.

Puede haber formas de arreglar o mejorar el circuito original, ahora que sabe lo que está buscando.

Gracias por tus ideas. Sospeché que tenía que ver con el tiempo de recuperación del amplificador operacional. Sin embargo, parece que estos circuitos solo funcionan en un escenario de suministro dividido: mencioné en mi otra pregunta que estoy buscando una solución de suministro único, pero aparentemente, no en esta. Parece que, para que estos circuitos funcionen, el amplificador operacional necesita generar un valor negativo. Una posibilidad sería sesgar todo alrededor, digamos, VCC/2, por lo que tengo espacio para las piernas para sesgar los diodos. Pensaré en esto.
Supuse que si estaba usando un solo suministro, ya estaba sesgando "gnd" (en esta parte del cct) a Vs/2. Por supuesto, si Vcc = 3.3V, entonces el suministro negativo no está tan lejos como pensé ... Tome nota particular del "rango de entrada de modo común" en esa hoja de datos: aparentemente el rendimiento no es tan bueno con las entradas cerradas a V+.

circuito fantasioso · Answer 2

Aparte del problema principal, fue interesante para mí ver cómo funciona el primer circuito del amplificador operacional...

Solución de circuito realmente inteligente... La parte inferior (A1 y D1) actúa como un interruptor de diodo ideal que conecta a tierra el amplificador no inversor A2 en la media onda de entrada negativa... y todo el circuito actúa como un amplificador inversor con ganancia de -R2/R1 = -1. En la media onda positiva, el interruptor de diodo está abierto y todo el circuito actúa como un seguidor de voltaje... también es interesante ver por qué...

Una posible explicación... El voltaje en la entrada no inversora A2 sigue al voltaje de entrada ya que no fluye corriente a través de R3. El voltaje en la entrada inversora A2 sigue al voltaje en la entrada no inversora ya que A2, obedeciendo las reglas de oro de H&H, trata de mantener una diferencia de voltaje cero entre sus entradas. Para hacerlo, el voltaje de salida del amplificador operacional sigue el voltaje en la entrada inversora A2. Como resultado, no fluye corriente a través de la red R1-R2... y los cuatro nodos del circuito tienen el mismo voltaje con respecto a tierra... son equipotenciales...

El circuito no carga la fuente de entrada y tiene una resistencia de entrada extremadamente alta ya que la fuente de entrada ve (a través de R3) la resistencia de entrada naturalmente alta de la entrada no inversora y la resistencia R1 virtualmente aumentada (arrancada).

Detector de picos de precisión de alta velocidad

cerdo

sherrellbc

cerdo

sherrellbc

cerdo

QueRosaBestia

cerdo

QueRosaBestia

HKOB

Respuestas (2)

usuario_1818839

cerdo

usuario_1818839

circuito fantasioso

¿Por qué no funciona este circuito rectificador activo?

Respuesta de frecuencia del rectificador de precisión de doble onda

Voltaje máximo de entrada del amplificador operacional

Aumento de la precisión de un circuito opamp práctico cuando la señal de entrada es muy pequeña

Otro '¿Qué es este componente?' pregunta

¿Es el rectificador de onda completa mejor que el de media onda?

¿Cómo tomo la mayor de dos señales analógicas?

Inyección de carga y ondas cuadradas de amplitud variable de precisión de extremo único

¿Qué es la corriente rectificada directa máxima promedio? (Diodo 1N4001)

Redundancia de fuente de alimentación de bajo costo