Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz

Wertyuud 16 Sty 2017 20:52 984 5
  • #1 16 Sty 2017 20:52
    Wertyuud
    Poziom 20  

    Witam!

    Ostatnimi czasy składam pewien projekt(miernik częstotliwości), który potrzebuje regulacji czułości wejścia. Zacząłem szukać w google rozwiązań i trafiłem na mnóstwo układów typu komórka gillberta, diody PIN, wzmacniacze VGA, układy mnożące itp. Zainteresowało mnie rozwiązanie z tranzystorem fet jako rezystorem Link. Eksperymentowałem z jfetami i mosfetami w różnych układach typu jako obciążenie wzmacniacza w układzie WE, jako obciążenie wtórnika źródłowego, jednakże wszystkie te rozwiązania mają wspólną ceche - są skrajnie nielinowe przy dużych amplitudach sygnału. Doszedłem do wniosku że konieczne jest bardzo małe napięcie dren-źródło, oraz bardzo mała amplituda zmian tego napięcia. Powstał pomysł, aby zamiast napięcia dzielić w jakiś sposób prąd. W ten sposób wpadłem na to aby zastosować układ lustra prądowego z rezystorami degenracyjnymi, ale zamiast rezystorów wstawić jfety. Taki układ zachowuje niskie napięcie dren-źródło, a dzięki temu dobrą liniowość(jak na prostotę obwodu).
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Obwód narazie działa tylko w symulatorze, więc nie przesądzam o jego zaletach. Jednakże wyniki z symulacji pokazują, że mógłby być całkiem niezły jak na stopień skomplikowania(przynajmniej do moich zastosowań).
    Poniżej wykres z tłumienia sygnału 1MHz, o amplitudzie 1V, przy przestrajaniu napięciem 0.2V do -4V krok -0.2V:
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Wykres wartości RMS*√2(amplituda) na wyjściu w zależności od napięcia sterującego:
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz [/tex]
    No i jeszcze wykres Bodego, ale raczej mało wierzę w ten wykres bo na schemacie nie ma komponentów pasożytniczych:




    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Próbowałem jeszcze sprawdzić FFT, ale nie umiem obsłużyć tej funkcji :cry:
    Przy mniejszych amplitudach obwód oczywiście pracuje bardziej liniowo. Oczywistą niedogodnością jest ujemnie napięcie sterujące jfeta, ale jako, że nie trzeba dużej wydajności prądowej do jego sterowania, to wystarczy zwykła pompa ładunku do wytworzenia ujemnego napięcia. Domyślam się że pewnie duże znaczenie sparowanie tranzystorów oraz różnica temperatur między nimi, ale jako, że nie mam zbyt wielkiego doświadczenia w takich rzeczach to proszę kolegów o ewentualnie uwagi i usprawnienie, chyba, że symulator mydli mi oczy i chcecie mi wybić to z głowy :D


    Załączam pliki LTSpice i liczę na pomoc w rozwinięciu tego układu :)
    var_amp...asc Download (2.37 kB) models.zip Download (964 bajtów)

    0 5
  • #2 18 Sty 2017 04:56
    Wertyuud
    Poziom 20  

    Witam ponownie!

    Zdecydowałem się na zbudowanie prototypu podanego wyżej układu, żeby zbadać jego właściwości w praktyce. Zastosowałem tranzystory 2n3904, oraz J310. Na wejściu i wyjściu dałem wtórniki emiterowe. Do uzyskania napięcia ujemnego zastosowałem tzw. pompę ładunku. Poniżej schemat. Na płytce jest to samo z drobnymi zmianami.
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Tak wygląda przebieg na wyjściu przy amplitudzie 500mVp, 2,5MHz, i napięciu sterującym -110mV. Żółty - wejście , niebieski- wyjście , fioletowy-sterowanie.
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Przy 30MHz amplituda spada o około -3dB:
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Ale to raczej nie do końca jest pasmo przenoszenia obwodu, gdyż zmienia się ono wraz z napięciem sterującym(wzrasta przy większym tłumieniu).

    Poniżej seria zrzutów ekranu przy różnych napięciach ster. Można odczytać wartość napięcia sterującego w prawym dolnym rogu.
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Sporządziłem także charakterystykę, jednak wartość międzyszczytową odczytywałem z oscyloskopu, a wynik nieco "pływał", więc nie jest zbyt dokładny.
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Wartość tłumienia oczywiście nie dąży do nieskończoności. Jest ona ograniczona poprzez rezystor 4,7kΩ połączony równolegle z jfetem.

    Próbowałem kompensacji charakterystyki częstotliwościowej za pomocą dołączonego trymera i przy zerowym tłumieniu udaje się osiągnąć płaską charakterystykę do ok. 61MHz, jednakże po zwiększeniu tłumienia charakterystyka zostaje zaburzona i układ zachowuje się wtedy jak filtr górnoprzepustowy. Tranzystor który zastosowałem w układzie (mmbt3904) ma oczywiście dużo mniejsze ft(250MHz)od tranzystora z symulacji (BFP93A, ft 6GHz), dodatkowo w układzie znalazły się dodatkowe wtórniki emiterowe, co tłumaczy mniejsze pasmo. Spróbuję wstawić BFR93A i wtedy sprawdzić zachowanie obwodu.


    Pozdrawiam.

    0
  • #3 18 Sty 2017 10:59
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Ciekaw jestem jaki zakres regulacji uda ci sie uzyskać, na wykresie było by lepiej widać gdyby skala osi Y była logarytmiczna.
    Przypuszczam że sterowanie bramką drugiego JFETa w przeciwnym kierunku dało by szerszy zakres regulacji, albo przy zachowaniu tego samego zakresu regulacji wpływ na pasmo będzie mniejszy.
    Wtórniki pracują mają dosyć dużą rezystancję obciążenia, sprawdź czy zmniejszenie nie poszerzy pasma.

    0
  • #4 20 Sty 2017 00:56
    Wertyuud
    Poziom 20  

    Na wstępie muszę skorygować swój poprzedni post, bo po bliższej inspekcji płytki okazało się, że źródło drugiego tranzystora polowego nie było dokładnie przylutowane. Było tylko złącze dren-bramka oraz rezystor 180Ω. Wiedziałem, że w obwodzie płynie znacznie większy prąd od oczekiwanego, ale uznałem że to może z winy rozrzutu parametrów, teraz znalazłem przyczynę, na schemacie w poprzednim poście zaznaczyłem brak połączenia.

    jarek_lnx napisał:
    Wtórniki pracują mają dosyć dużą rezystancję obciążenia, sprawdź czy zmniejszenie nie poszerzy pasma.

    No przyznam, że nie wiedziałem jak do końca dobrać tą wartość i zacząłem od 2k a potem dołożyłem jeszcze jeden bo rzeczywiście trochę zwężały pasmo. Wtórnik wyjściowy ma zmieniający się punkt pracy co jest trochę niekorzystne.
    jarek_lnx napisał:
    Przypuszczam że sterowanie bramką drugiego JFETa w przeciwnym kierunku dało by szerszy zakres regulacji, albo przy zachowaniu tego samego zakresu regulacji wpływ na pasmo będzie mniejszy.

    To słuszna uwaga. Miałem pomysł, żeby sterować również nim, jednak zostawiłem tak jak jest dlatego, że zwiększająca się rezystancja kanału spowoduje oczywiście wzrost napięcia dren-źródło, a zbyt duże napięcie wprowadzi tranzystor w obszar nieliniowy. Jednak właściwie można sterować drugim JFETem w niewielkim zakresie. Właśnie spróbowałem w ltspice zasymulować to i zauważyłem ciekawą rzecz. Otóż jeżeli na drugi tranzystor podam zbyt duże napięcie sterujące, to charakterystyka amplitudy od napięcia sterującego jest zagięta tak jakby w drugą stronę, tzn jak była zagięta nieco w dół od idealnej prostej to stała się odgięta w górę. Dobrałem wartość napięcia sterującego mniej-więcej po środku i charakterystyka stała się dużo bardziej prosto-liniowa.

    Dodam trochę bardziej aktualny schemat:
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz


    Zmieniłem tranzystory na BFR93A i zauważyłem, że pasmo znacznie się rozszerzyło. Zauważyłem, że największy wpływ na ograniczenie pasma ma pojemność na kolektorze tranzystor Q3. Dotknięcie sondą powoduje dość duże tłumienie.
    Spadek tłumienia przy wyższych częstotliwościach spowodowany jest najprawdopodobniej przez pojemność dren-źródło tranzystora Q2 i być może przez pojemność baza-kolektor Q3.

    Wykreśliłem też charakterystyki częstotliwościowe przy minimalnym i maksymalnym tłumieniu.
    Na bramce drugiego tranzystor było ok. -2V w czasie pomiaru, z a pierwszy ustawiłem tak aby dla małych częstotliwości wzmocnienie było ok. 0dB
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Oraz zależność tłumienia od napięcia sterującego:
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Takie ciekawe zjawisko zachodzi, że tłumienie rośnie do pewnego momentu, potem spada, a dalej jest już stałe. Na wykresie w decybelach widać dwa gwałtowne spadki, gdy zachodzi to zjawisko. Przy tym widać znaczne przesunięcie fazy sygnału wyjściowego(ok. -90deg), przypuszczam, że rezystancja złącz tranzystorów jest większa niż ich reaktancja pojemnościowa. Te spadki są takie głębokie, bo mój oscyloskop pracuje na granicy swojej rozdzielczości i wynik trochę "skakał".
    Zaobserwowałem, że przy dużym tłumieniu obwód zaczyna coraz bardziej zniekształcać sygnał ze wzrostem częstotliwości, ale do pewniej granicy, przy której pojemności złączowe mają bardziej dominujące znaczenie w obwodzie. Tutaj screen-shot tych zniekształceń:
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz


    Przyszła mi taka rzecz do głowy: mój układ, gdyby się przyjrzeć jest układem mnożącym, a mnożenie obowiązuje reguła przemienności, więc mogę zamienić napięcie sterujące z sygnałem wejściowym. :)
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Charakterystyki, przy zmianie napięcia sterującego od 4,5V do 0,5V co -0.4V, 1MHz:
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniaczLustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    FFT dla 4,5V. druga harmoniczna -38dB to dużo, czy mało? Nie wiem.
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz

    Sądzę, że warto tego spróbować.

    0
  • #5 21 Sty 2017 14:30
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Sprawdziłem najprostsze rozwiązanie na samym JFET-cie przy dużych sygnałach i wcale nie jest takie złe, trochę zaokrągla wierzchołki sinusa - głównie 3 harmoniczna, THD dochodzi do 15%, ale to tylko miernik częstotliwości.

    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz

    0
  • #6 24 Sty 2017 05:26
    Wertyuud
    Poziom 20  

    jarek_lnx napisał:
    THD dochodzi do 15%, ale to tylko miernik częstotliwości.

    Tak, to tylko miernik częstotliwości i nie potrzeba nic wymyślnego. Zwykły potencjometr mógłby wystarczyć. Ale jako, że przyszło mi do głowy rozwiązanie, którego wcześniej nie widziałem, to chcę zbadać jego możliwości i zobaczyć co da się z tego wyciągnąć.

    Przerobiłem trochę układ na płytce, tak, aby przypominał symulację z poprzedniego postu. Poniżej jest schemat, ale na płytce jest więcej kondensatorów odsprzęgających, bo układ wyłapywał zakłócenia od przewodów pomiarowych multimetru podłączonego równolegle do R4. Dodatkowo zauważyłem że na wyjście przenikają nieco impulsy od pompy ładunku(bramki not generują przebieg prostokątny o czasie narastania ok.20ns, więc trochę sieją zakłócenia).
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz

    Tym razem do pomiarów użyłem detektora logarytmicznego AD8307. Mierzyłem prąd płynący przez R4 i wyjście z detektora. No i oczywiście zrobiłem pomiary, aby jak najdokładniej dobrać współczynniki do narysowania wykresów.
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Sądzę, że dolną granicę tłumienia ograniczały zakłócenia zbierane przez układ, bo przy braku sygnału na wejściu detektor wskazywał niewielki poziom na wyjściu.

    Poniżej dwie charakterystyki częstotliwościowe. Pierwsza dla tłumienia ok.0dB, a druga ok. -27dB (przy m.cz.)
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniaczLustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Druga charakterystyka dość dobrze oddaje wynik symulacji. Jednak tłumienie zaczyna zmniejszać się wraz ze wzrostem częstotliwości ponad 10MHz.
    Dodałem taką sieć kompensacyjną (R1, C1, R2, C2, C3):
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Dwie charakterystyki: bez C1 i C2, C3, oraz z nimi
    Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz Lustro prądowe+jfet jako sterowany napięciem tłumik/wzmacniacz
    Idealne nie jest, ale zawsze to trochę lepiej. Tłumienie może być oczywiście trochę większe, ale im większe tłumienie, tym bardziej zniekształcona charakterystyka.

    0