VF operační zesilovač a lehký případ nasrání.

14. listopadu 2013 v 5:13 | Petr
Jestli jste minulý rok četli pojednání o Trávoměru tak víte, že krom milionu různých problémů je jedním z velikých "ořechů" tohoto čidla logaritmický zesilovač. Jestli jste četli pojednání o logaritmických zesilovačích tak víte, že jediný design použitelný pro frekvence, ve kterých se bude pracovat je tzv. "paralelní" logaritmický zesilovač to jest máte zesilovač který zesiluje 10 000x spojený paralelně se zesilovačem, který zesiluje 1000x, 100x, 10x, a 1x.

Každý zesilovač musí být naprosto stejné konstrukce a pouze zpětnou vazbou se nastaví zesílení - to proto aby i zpoždění signálů bylo stejné. Výsledkem byla konstrukce, která byla založena na analogových vlastnostech digitálních invertorů HC4069. Když jsem tyto invertory zkoušel - tak jsem zblbnul měřící podmínky, takže mi vycházelo, že na frekvenci 500 KHz se z nich dá postavit zesilovač, který zesiluje více než 100X - což ve skutečnosti byl zesilovač, který zesiloval jen nepatrně více než 10x.

Výsledek se dostavil Jirka Vácha z Brněnského domu dětí Junior, zesilovač podle mého návodu postavil a nestačil se divit. Já jsem nejprve spekuloval, kde je chyba, pak jsem doma přeměřoval, a pak už jsem se jenom styděl a omlouval. Průser - jako mraky.
Když potřebuju na frekvenci 500 KHz zesilovač se zesílením aslepoň 100x - proč nepoužiju operační zesilovač - nějaký s šířkou pásma 500 000 x 100 = 50 MHz. Ano tak to dělají profesionálové - taky bych mohl od Linearu koupit zesilovač za 300 kus - a pak bych mohl na robotickém dni vykládat "děcka, když oželíte kredit do mobilu na půl roku můžete mít čidlo jako já...." Proto nic, co je třeba za hříšné peníze kupovat nepoužívám a ani používat nechci.

Jen taková odbočka - v Americe je Firma Elecraft, která je známá tím, že do svých rádií používá místo hrotových VF diod 1N4007 a místo varikapů 1N5818 a další "součástky jak z GM". Právě proto že se nespoléhá na extrémní vlastnosti součástek musí být jejich obvody "velmi sofisitikované" a to nikoliv inženýrským překombinovaným způsobem, ale stylem "v jednoduchosti je krása" a světe div se - jejich taktika vychází a jejich radiostanice jsou naprosto špičkové - a inženýři z Yaesu, Kenwoodu, Icomu a dalších jen kroutí hlavami.
Takže když jsem psal "tranzistorovou násobilku" mírně jsem se naštval - v tom smyslu, že čtenářům doporučuju postavit si "operační zesilovač jak za Apolla 11" a sám jsem odkázán maximálně tak na NE5532 který má šířku pásma do 10 MHz. Takže jsem prostě vzal schémátko z obrázku nahoře a všechny tranzistory jsem chtěl vyměnit za VF typy a zkusit do jakého pásma to pojede. Poněkud jsem pohořel už na samém začátku, protože viděli jste v dnešní mizérii vysokofrekvenční tranzistor typu PNP ?

Když se na zesilovač podiváte zjistíte, že Q2, Q3 mají napěťové zesílení 1 - a tudíž normální typy BC337 / BC327 které mají zesílení do 100 MHz budou úplně stačit. Q1 a Q5 mají taky silnou zpětnou vazbu přes R1- mají zesílení asi 10x tudíž taky stačí BC337 / BC327 . Prostě maximum zesílení celého obvodu je na jediném tranzistoru Q4.
Sehnat Q4 jako PNP je prakticky nemožné, ale stále tady máme oblíbený BF199 nebo dokonce skvělý SMD tranzistor BFR93A - do 6GHz !!! Takže když známe tranzistorovou násobilku prostě celé zapojení překlopíme z NPN do PNP a naopak - vidíte obrázek ? Jasné ?

Podle simulací měl mít tento zesilovač zesílení "otevřené smyčky" (bez zpětné vazby) kolem 3000x a 100x měl zesilovat ještě na frekvenci 10 MHz - z toho by jednoduchým vzorečkem vycházela teoretická šířka pásma 10 MHz x 100 = 1 GHz - kam se hrabou 50 MHz ubožáci za 300 z Farnellu.
Před dalším bádámín v oblasti paralelních VF logaritmických zesilovačů jsem chtěl mít 100% jistotu, že se nepletu, tak jsem udělal něco naprosto mimořádného místo patlání na kontaktním poli (díky jeho parazitmím kapacitám to stejně nejde) nebo místo pájení stylem "vrabčí hnízdo" jsem prostě zesilovač naroutoval a postavil.
A světe div se - svatý Petr nebyl doma a všechny vlastnosti zesilovače se potvrdily - tedy na obrázkuvidíte signál pro vstup 500 uV - tedy pro kontrolu - z generátoru s amplitudou 5V jsem vyrobil dělič z odporu 1Mega a 100Ohm na zem. Sami vidíte že aplituda je 1.4V což dává zesílení 1.4 / 500u = 2800 na frekvenci 10 MHz.
Pak jsem přidal do zpětné vazby "ten správný odpor" aby zesílení bylo 100x dělič jsem přehodil na 5mV (abych nemusel zápasit s šumem osciloskopu). Jen pro kontrolu dělič 1001X jsem vyrobil z odporu 100K a 100 ohm. A výstup je 492 mV tedy zesílení 100x +- autobus.
Jenom než mi nějaký chytrák napíše proč mám orgasmus z takového obvodu když 3 tranzistory za sebou taky zesilují 1000x - tak jenom si dovoluju upozornit, že tento zesilovač je od DC naprosto stabilní, pokud nezapomenenete na kompenzační konenzátor C9 tak se dá signál z výstupu zavádět na vstup (jako v opravdovém operačním zesilovači) - bez rozkmitání (což je ve VF technice nevídaná věc) a navíc zesilovač aktivně udržuje stejnosměrnou úroveň kterou mu nastavíte, a pokud se přesytí signálem - jde do limitace pěkně symetricky (pro mně nezbytné - viz článek o logaritmických zesilovačích).

Poznámka při druhém čtení : Jestli vám není jasné proč jsou některé odpory zdvojené R2+R3, R6+R7 - není v tom žádná čená magie - prostě jsem jenom předem počítal s tím, že při testování, budu pájet a zase "odpájet" tyto odpory tak dlouho až mi cestičky na plošném spoji upadnou - tak abych mohl pokračovat s druhým odporem.

Takže zablesklo se na lepší časy - zatím ani nevím jaké možnosti mi dává mít tuto technologii v ruce - ale neřešitelnost situace s logaritmickým zesilovačem v mezifrekvenci už dlouho trvat nebude. Zbývá už jenom tradiční rada pro blondýny - Pokud si připadáte "čarokrásná" a 10% lidí vám to potvrzuje, zatímco 90% "protivných a blbých" se jen ušlíbá a kroutí hlavamí - je to jasný příznak, že jste husa bez nadhledu obletovaná hlupáky.
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Komentáře

1 Karel Karel | 14. listopadu 2013 v 6:53

BFT93

2 petr-kubac petr-kubac | 14. listopadu 2013 v 7:03

[1]: Ano Karle - právě jsi předvedl styl rad, který miluju nejvíce. Takže už víme, že PNP vysokofrekvenční tranzistory opravdu existují, ale třeba by bylo dobré dodat, kde si má 13 letý teenager takový tranzistor koupit že ??

4 Karel Karel | 14. listopadu 2013 v 7:12

Bych zde napsal odkaz kde se da koupit, ale pise mi to ze vkladam spam.

http://cz.farnell.com/nxp/bft93/rf-transistor-pnp-sot-23/dp/1097184RL

5 m.marianek m.marianek | 14. listopadu 2013 v 12:38

Už jsem se chtěl ozvat dřív, ale téma trávoměru (resp. analogových zesilovačů s logickými obvody) už nebylo aktuální a tak mi to připadlo "s křížkem po funuse". Uvažoval jsem ve svých bastlech také s využitím hradel jako lineárních zesilovačů, jenže když jsem začal měřit, došel jsem k prapodivným výsledkům a nakonec jsem zjistil že:

Hradla mají přímo šílený sklon ke kmitání a jejich výstup se musí přeblokovat (něco jako Boucherot).

Mají dvě oblasti s hysterezí a mezi nimi lineární pásmo s překvapivě malým ziskem které se ovšem bez blokování výstupu nedá překlenout aniž by obvod nekmital.

Zisk v lineárním pásmu je spíše jednotky až desítky a k zesilování dochází možná tím, že struktura obvodů kmitá a střída kmitů (i frekvence) je silně závislá na vstupním napětí, takže to možná funguje jako kombinace  zesilovače ve třídě D a superreakčního přijímače. Každopádně něco co bych v trávoměru mít nechtěl - nedokážu si představit co to udělá s fází signálu na 10MHz. :-)  

U zesilovače ala "Apolo 11" bych byl skeptický co se týče provedení logaritmického zesilovače. Limitace rozhodně nebude symetrická, to by zesilovač musel být postavený celosymetricky a hlavně při limitaci bude docházet k saturaci rozkmitového (a při silných signálech i vstupního) stupně. Jakmile dojde k saturaci, zapomeňte na zachování fáze signálu i s VF tranzistory, běžné NF tranzistory se mohou dostávat ze saturace i mikrosekundy jak to bude u VF nevím ale už z principu to o moc slavnější nebude. Takže to znamená použití antisaturačních obvodů (diody), nebo zkusit FETy, které saturací netrpí (otázka co s fází signálu udělají kapacity v GATE). Problémem je, že saturací zaniká zesílení smyčky a zpětná vazba tak přestává zesilovač vylepšovat, tj. již nekoriguje nelinearity a fázové posuny.

6 petr-kubac petr-kubac | 14. listopadu 2013 v 13:08

[4]: Nojo ale u konstrukcí pro roboty pro děcka bych se raději vyhnul zásilkovým obchodům tím spíše ze zahraničí. Co kdyby takový jouda z Frýdku potřeboval krom 13 kč za tranzistor ještě 500 kč na Pendolíno do Prahy - jednat s celníkama ;-)

7 petr-kubac petr-kubac | 14. listopadu 2013 v 13:15

[5]: Naprosto souhlasím - moje zkušenost s analogovými vlastnostmi digitálních hradel je stejná.
Pokud se týče logaritmických zesilovačů - mám v současnosti v rukávu 2 varianty, kterou použiju bude věcí toho, kde bude méně zákeřností...

8 m.marianek m.marianek | 14. listopadu 2013 v 13:56

Nějak jsem se v minulém příspěvku rozepsal a tak pokračování hodím radši do samostatného příspěvku ať se na to dá lépe reagovat.

Pane Kubáči, napadlo mě, proč vlastně tak lpíte na logaritmickém zesilovači?
Nebylo by lepší a nakonec i jednodušší zisk prostě přepínat? Klidně v rozsahu 5 dekád, což je 100dB. Fázový detektor z analogových přepínačů má také velmi slušnou dynamiku a zisky vstupních zesilovačů převodníků lze také přepínat ve slušném rozsahu. Chápu, že krása logaritmického zesilovače tkví v jeho "jednoduchosti" a cenové nenáročnosti ala strýčkovo mýdlo ze Saturnina, ale někdy ty principiálně jednoduché věci bývají ty nejsložitější. Logaritmické zpracování přenáší nároky do stejnosměrné části zpracování signálu, veškeré chyby ve stejnosměrné části se uplatňují více. I když samozřejmě chápu, že u velkého signálu nás to až tak nepálí a u malých se to zas tolik neuplatňuje. První řešení, které by mě napadlo, kdybych měl trávoměr řešit z čisté vody, by bylo přepínat zisk vstupního zesilovače a stejnosměrného zesilovače a to v pořadí jak to kdysi fungovalo u AVC v analogových televizorech. Nejdřív se zatlumuje (zmenšuje zisk) zadní části signálové trasy a pak teprv se začne zatlumovat vstup. Pokud by se změnou zisku střídavé trasy měnily fázové poměry není přece problém je zkalibrovat, tolik rozsahů to zase není, navíc si je robot může zkalibrovat sám pomocí bílé zdi a "krokoměru".

9 m.marianek m.marianek | 14. listopadu 2013 v 14:25

Mno, ještě jedna věc , vlastně dvě věci (teda já jsem dnes ukecanej).

S měřením zisku na 10MHz pomocí děliče bych byl opatrný, 1MOhm už na 10MHz nebude 1MOhm, ale spíš nějaký ten pF kapacity, napětí na děliči může být tedy podstatně větší (několikanásobně), raději bych doporučil postavit útlumové členy s odpory v desítkách a stovkách Ohmů (malé odpory už jsou zase spíš indukčnosti).

Ta druhá věc - u Apola 11 bych doporučil vyzkoušet rozdělit kolektorový odpor rozkmitového stupně a mezi tyto dva odpory zavést pomocí kondenzátoru bootstrapovou vazbu z výstupu. Kolektorová zátěž se tak začne chovat jako zdroj proudu a zároveň se zlepší rozkmit zesilovače v kladné půlvlně, kdy v blízkosti limitace již kolektorový odpor v podstatě nedodává pro bázi koncového tranzistoru potřebný proud, neb je na něm minimální úbytek. Takhle nám bootstrap zafunguje jako nábojová pumpa a posune buzení koncového tranzistoru výš. Zároveň se nám zesílení rozkmitového stupně zvedne z desítek (až stovek) řádově na tisíc.
Tím razantně vzroste zesílení v otevřené smyčce aniž by se nám zhoršila fázová charakteristika, což je žádoucí a za jeden kondenzátor a odpor to stojí. Další varianta je proudový zdroj místo kolektorového odporu, ale to je složitější a rozkmit to také nevylepší, podle mého je bootstrap víc muziky za míň peněz.

10 petr-kubac petr-kubac | 14. listopadu 2013 v 15:56

[8]: [9]:  Proč logaritmický zesilovač - to je širší problém "radarové rovnice" alias všechna reflexní čidla trpí úbytkem signálu se 4 mocninou vzdálenosti - tudíž slušně fungující logaritmický zesilovač by se dal použít znou a znovu

Bootstrap na 10MHz - děláte si srandu ? NIKDY se mi nepodařilo postavit na této frekvenci zesilovač s bootstrapem, který by byl stabilní. Jedině za cenu tak velkého kompenzačního kondenzátoru, že smysl bootstrapu na zesílení otevřené smyčky se prostě vytratil.

11 Karel Karel | 14. listopadu 2013 v 18:23

[6]: Jací celníci??? Pán si tu doporučuje volit komanče, tak evidentně asi neví, že jsme pár let v EU. Normálně si to zaplatí tatíkovou kreditkou + 5eur poštovné, nebo převede kačky na český! účet a zítra to má doma na stole! A pokud to chce koupit z čr, tak za stejnou cenu to bude mít když napíše téhle paní: irena.becevova@rothsware.cz a na dobírku třeba, akorát ne zítra ale za dva tři dny, poštovné bude nižší. Srovnej s variantou kdy tvůj teenager vyjede třeba ze Starých Hamer do ostravského GM, zaplatí 160Kč za bus a ještě si musí koupit tramvajenku a doufat že mu 13Kč na tranzistor neukradou olaši. Jo a pokud si to objedná z GM poštou tak bude čekat do alejuja a nakonec mu přijde úplně něco jiného.

12 Miloslav Ponkrác Miloslav Ponkrác | 30. července 2016 v 19:11

A ještě by bylo dobré doplnit důvod, proč původní konstruktér postavil operační zesilovač na PNP.

Protože to patrně stavěl někdo, kdo součástky trochu více znal. Už z fyzikálních principů platí, že křemíkové tranzistory NPN šumí více, než PNP. Proto prostým překlopením do NPN dosáhneme zhoršení šumových parametrů, než by ten operační zesilovač měl, kdyby zůstal v PNP.

Komentáře jsou uzavřeny.


Aktuální články

Reklama