Odpowiedz 
 
Ocena wątku:
  • 0 Głosów - 0 Średnio
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
Lustro prądowe+jfet jako tłumik/wzmacniacz sterowany napięciem
SQ6FHU Offline


Liczba postów: 4
Dołączył: 27-02-2015
Post: #1
Lustro prądowe+jfet jako tłumik/wzmacniacz sterowany napięciem
Witam! To mój pierwszy post na forum. Od czasu do czasu zaglądam, ale dzisiaj mam pomysł, który chciałbym omówić.


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).
İmage
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:
İmage
Wykres wartości RMS*√2(amplituda) na wyjściu w zależności od napięcia sterującego:
İmage
No i jeszcze wykres Bodego, ale raczej mało wierzę w ten wykres bo na schemacie nie ma komponentów pasożytniczych:
İmage
İmage
Próbowałem jeszcze sprawdzić FFT, ale nie umiem obsłużyć tej funkcji Sad
Przy mniejszych amplitudach obwód pracuje bardziej liniowo co oczywiste. 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 Big Grin


Załączam pliki LTSpice i z góry dziękuję za pomocSmile

.zip  var_amp_6.zip (Rozmiar: 934 bajtów / Pobrań: 57)
.zip  models.zip (Rozmiar: 964 bajtów / Pobrań: 56)
P.S Wrzuciłem podobny temat na elektrode, ale na tym forum mimo wszystko jest więcej specjalistów od w.cz. a to mnie interesuje najbardziej
(Ten post był ostatnio modyfikowany: 17-01-2017 12:07 przez SQ6FHU.)
17-01-2017 0:17
Znajdź wszystkie posty użytkownika Odpowiedz cytując ten post
SP6FRE Offline
Leszek
****

Liczba postów: 480
Dołączył: 20-09-2009
Post: #2
RE: Lustro prądowe+jfet jako regulowany tłumik/wzmacniacz
Witam!
Temat ciekawy choć brakuje trochę tła aby mieć pełny pogląd na sprawę ale o tym dalej.
Żartując, na początek, powiem, że najlepszym liniowym regulatorem będzie ....potencjometr. Działa niezależnie od amplitudy (w granicach mocy dopuszczalnej), no, może nie jest absolutnie dokładny ale na pewno do sterowania ręcznego idealny.
I tu potrzebna dodatkowa wiedza do czego potrzebna Ci ta regulacja wzmocnienia ( i to w dodatku liniowa?). Jeśli to miernik częstotliwości to raczej zależy nam na wstępnym uformowaniu sygnału do postaci prostokątnej bo pewnie zliczanie odbywa się cyfrowo? Z tego punktu widzenia może po prostu warto tylko wybrać punkt pracy wzmacniacza wstępnego na najlepszy dla maksymalnego poziomu sygnału? Wtedy sygnały o mniejszej amplitudzie będą zapewne przenoszone liniowo.
Jeśli planujesz jednak coś w rodzaju ARW ze stabilizacją sygnału na wejściu licznika to pamiętaj, że liniowe zachowanie całego takiego układu nie zależy wyłącznie od wzmacniacza wstępnego ale także od charakterystyki detektora i np. wzmacniacza prądu stałego sygnału sterującego ARW. Powinieneś więc symulować bardziej złożony układ aby ocenić liniowość całości.
Na koniec dodam, że zakres 30MHz to obecnie nie za dużo jak na miernik częstotliwości. Pomiary w tym zakresie udaje się uzyskać prawie bezpośrednio na porcie przeciętnego mikrokontrolera z elementarnym wzmacniaczem/ogranicznikiem sygnału i stąd ciekawość dlaczego potrzebna jest tak złożona struktura na wejściu?
L.J.
(Ten post był ostatnio modyfikowany: 17-01-2017 11:03 przez SP6FRE.)
17-01-2017 11:02
Odwiedź stronę użytkownika Znajdź wszystkie posty użytkownika Odpowiedz cytując ten post
SQ6FHU Offline


Liczba postów: 4
Dołączył: 27-02-2015
Post: #3
RE: Lustro prądowe+jfet jako tłumik/wzmacniacz sterowany napięciem
Witam!

Jeżeli jeżeli chodzi o regulację liniową, to nie jest ona mi w pełni potrzebna. Po prostu testowałem inne rozwiązania i wymyśliłem ten układ. Jest on nawet za dobry do moich zastosowań. Zdecydowałem się podzielić nim z kolegami, bo zaskoczyły mnie jego parametry(z symulacji). Myślę, że taki obwód mógłby znaleść inne zastosowanią i może warto go rozwinąć.
Moja f-miarka będzie miała 3 zakresy i na jednym chciałem taki układ, żeby regulować szerokość pętli histerezy przerzutnika schmitta za pomocą wzmacniacza regulowanego(szerokość w odniesieniu do wejścia obwodu). Robię to raczej jako wyzwanie techniczne niż jako wielce praktyczna funkcja. Potencjometr byłby za prostyTongue. Chciałbym aby obwód przy szerokiej pętli histerezy mógł mierzyć sygnały o dużej amplitudzie, ale odrzucając jednocześnie mniejsze zakłócenia, ale nie chcę stracić możliwości pomiaru słabych sygnałów, dlatego ma zmniejszać szerokość pętli. Spróbuję wykonać jakiś prototyp, pomierzyć i zobaczyć ile ten układ jest warty.
Witam ponownie!

Chciałem edytować posta, ale gdzieś zginęła opcja edycjiConfused i muszę napisać drugi.
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.
İmageİmage
Tak wygląda przebieg na wyjściu przy amplitudzie 500mVp, 2,5MHz, i napięciu sterującym -110mV. Żółty - wejście , niebieski- wyjście , fioletowy-sterowanie.
İmage
Przy 30MHz amplituda spada o około -3dB:
İmage
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.
İmageİmageİmageİmage
Sporządziłem także charakterystykę, jednak wartość międzyszczytową odczytywałem z oscyloskopu, a wynik nieco "pływał", więc nie jest zbyt dokładny.
İmage
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.
(Ten post był ostatnio modyfikowany: 18-01-2017 6:20 przez SQ6FHU.)
17-01-2017 12:36
Znajdź wszystkie posty użytkownika Odpowiedz cytując ten post
SP6FRE Offline
Leszek
****

Liczba postów: 480
Dołączył: 20-09-2009
Post: #4
RE: Lustro prądowe+jfet jako tłumik/wzmacniacz sterowany napięciem
Witam!

Widać, że praktyczny układ w pełni potwierdza wyniki symulacji. Liniowe tłumienie zachowane jest w zakresie ok. 26dB ale z wykresów widać, że ograniczenia pasma przy 30MHz jest już wyraźne - choćby przez znaczną różnicę faz napięcia wejściowego i wyjściowego.
Nie widzę bezpośredniego zastosowania pokazanego układu ale popieram metodę symulacji jako niezawodnego narzędzia do sprawdzenia założeń teoretycznych.
Symulacja pozwala na poznanie szczegółów używanych elementów właśnie w warunkach granicznych (zasilania, częstotliwości etc.) a także pozwala na "odkrycie" takich cech jak w tym przypadku - skuteczna regulacja tłumienia w układzie lustra prądowego. Z mojego doświadczenia mogę przytoczyć jako przykład symulację filtra polifazowego w odbiorniku DC01 (http://sp-hm.pl/thread-280.html). Właśnie dzięki symulacji mogłem ocenić niezbędną ilość stopni dla tego filtra a także wpływ rozrzutu elementów na ostateczną charakterystykę przenoszenia co oszczędziło mi zapewne godzin ślęczenia z lutownicą i nanoszenia wyników pomiarów na wykresy.
Wracając do tematu, faktycznie, skuteczność prostego lustra wymaga dobrego sprzężenia termicznego obu tranzystorów - i takie tranzystory daje się tu i ówdzie znaleźć. Wydaje się jednak ostatecznie, że dobrze działający układ lustra prądowego jako regulator wzmocnienia jest okupiony zbyt wielkim "garbem" aby móc używać go w praktyce. Mając do wyboru takie rozwiązanie jak pokazałeś w praktyce lub scalone układy z dynamiką sterowania wzmocnienia co najmiej 60dB (np. AD8336 dla m.cz. lub TL026, NE592, uA733 dla w.cz) wybrałbym układ scalony.
Przy okazji sens użycia tranzystora FET jako regulatora wzmocnienia miałem okazję odczuć sam projektując regulację ARW, także w odbiorniku DC01, gdzie zespół wzmacniacza operacyjnego i tranzystora FET pozwala na kilkudziesięcio- decybelową regulację w jednym stopniu.

Po raz kolejny żartując, ostatecznie więc, okazało się, że i tak do regulacji potrzebny jest potencjometr -> co postulowałem na początku ;-)

Na koniec pozwolę sobie na refleksję osobistą dotycząca tematyki symulacji układów elektronicznych. Miałem szczęście być na Politechnice Wrocławskiej studentem prof. Mieczysława Grobelnego, który będąc unikalnym gawędziarzem wniósł istotny wkład w rozwój technik komputerowych dotyczących analizy i symulacji układów elektronicznych. Za danymi jakie można znaleźć w matariałach dotyczących instytutu, w którym pracował: "prof. dr inż. Mieczysław Grobelny prowadził działalność naukową w zakresie systematyki konfiguracji liniowych układów elektronicznych, czwórników selektywnych uogólniających teorię wzmacniaczy rezonansowych i układów przemiany częstotliwości. Jako pierwszy w kraju podjął prace nad automatyzacją projektowania układów elektronicznych i identyfikacji modeli elementów układów elektronicznych." Zajął się tą tematyką systematycznie "odkrywając" kilka konfiguracji czwórnikowych elementów aktywnych nieznanych wcześniej zastosowaniom praktycznym - po prostu wydawało się praktykom, że takie połączenia nie mają sensu a w analizie numerycznej pojawiały się nieoczywiste właściwości takich układów.
W tamtych czasach symulację przygotowywałem na kartach perforowanych do sesji systemu "George" na maszynie z seri ODRA a wynik (wydruk charakterystyki przenoszenia) odbierałem po kilku dniach jak opróżniła się kolejka zadań przede mną. Oczywiście, prosty błąd np. użycia omyłkowego kropki zamiast przecinka skutkował zaczęciem procedury od początku (wydruk kart, ponowne odczekanie w kolejce z nadzieją, że innych błędów już nie ma) :-(

Tak więc, biorąc pod uwagę jak dzis to wygląda, można tylko powiedzieć, że symulacja górą! Mam nadzieję, że sam dojdziesz do wniosku czy warto zastosować zbadany przez siebie układ w praktyce. Dodam, że w dziale "Oprogramowanie dla elektroników" znajdziesz wątek na temat Pspice gdzie zapewne uzyskasz odpowiedź na temat analizy Fouriera w tej aplikacji (http://sp-hm.pl/thread-1883.html). Ja, z Pspice rozstałem się kilkadziesiąt lat temu i używam obecnie Qucs, który ma, jak dla mnie, i tak tyle możliwości, że czasu nie starcza na ich zgłębienie ;-).

L.J.
18-01-2017 13:36
Odwiedź stronę użytkownika Znajdź wszystkie posty użytkownika Odpowiedz cytując ten post
SQ5KVS Offline
Karol
****

Liczba postów: 551
Dołączył: 26-09-2012
Post: #5
RE: Lustro prądowe+jfet jako tłumik/wzmacniacz sterowany napięciem
Najprostszą metodą na zrobienie analizy fouriera jest wygenerowanie przebiegu (odpowiednio długiego, kilkaset okresów itp) a następnie, na jego wykresie, prawy klawisz i wybrać FFT Smile Trzeba tylko pamiętać żeby zmienić typ okna np. na Blackmana-Harrisa.
Są też na pewno inne opcje bardziej automatyczne - LTspice ma spore możliwości ale jeszcze nie wszystkie używałem, hi.
18-01-2017 14:00
Znajdź wszystkie posty użytkownika Odpowiedz cytując ten post
SQ6FHU Offline


Liczba postów: 4
Dołączył: 27-02-2015
Post: #6
RE: Lustro prądowe+jfet jako tłumik/wzmacniacz sterowany napięciem
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.


Dodam trochę bardziej aktualny schemat:
İmage

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, a pierwszy ustawiłem tak aby dla małych częstotliwości wzmocnienie było ok. 0dB
İmageİmage
Oraz zależność tłumienia od napięcia sterującego:
İmageİmage
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:
İmage


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.
İmage
Charakterystyki, przy zmianie napięcia sterującego od 4,5V do 0,5V co -0.4V, 1MHz:
İmageİmage İmageİmage
FFT dla 4,5V. -38dB to dużo, czy mało? Nie wiem.
İmage
Sądzę, że warto tego spróbować.
(Ten post był ostatnio modyfikowany: 20-01-2017 5:18 przez SQ6FHU.)
20-01-2017 4:37
Znajdź wszystkie posty użytkownika Odpowiedz cytując ten post
SP3SUZ Offline
Użytkownik
***

Liczba postów: 241
Dołączył: 30-09-2013
Post: #7
RE: Lustro prądowe+jfet jako tłumik/wzmacniacz sterowany napięciem
Może spróbuj BFR 96S. Według mnie są lepsze pod względem szumowym , co prawda nie wiele ale zawsze coś. A jak sie zapatrujesz aby zamiast BFR-ów dać np dwie pary na KGF 1305 ? Te chodzą jeszcze wyżej a taki układ powinien przynajmniej w teorii pracować z dużym prądem. Wtedy układ będzie bardziej odporny na skrajne przesterowania takie przy jakich zakładany przez Ciebie układ z powodu tranzystorów już się podda. Co prawda trzeba będzie przeprojektować zasilacz bo GAS - FETy potrzebują kolejności załączenia ale efekty mogą być na poziomie "amerykańskim" czyli takim że Świat sie o to upomni o dobrze zapłaci. bo i TO co do tej pory zrobiłeś robi wrażenie. Jak potrzebujesz to dam Ci kilka tych KGF... i spróbuj. Co Ty na to?
20-01-2017 20:36
Znajdź wszystkie posty użytkownika Odpowiedz cytując ten post
SQ6FHU Offline


Liczba postów: 4
Dołączył: 27-02-2015
Post: #8
RE: Lustro prądowe+jfet jako tłumik/wzmacniacz sterowany napięciem
(20-01-2017 20:36)SP3SUZ napisał(a):  Może spróbuj BFR 96S. Według mnie są lepsze pod względem szumowym , co prawda nie wiele ale zawsze coś. A jak sie zapatrujesz aby zamiast BFR-ów dać np dwie pary na KGF 1305 ? Te chodzą jeszcze wyżej a taki układ powinien przynajmniej w teorii pracować z dużym prądem. Wtedy układ będzie bardziej odporny na skrajne przesterowania takie przy jakich zakładany przez Ciebie układ z powodu tranzystorów już się podda. Co prawda trzeba będzie przeprojektować zasilacz bo GAS - FETy potrzebują kolejności załączenia ale efekty mogą być na poziomie "amerykańskim" czyli takim że Świat sie o to upomni o dobrze zapłaci. bo i TO co do tej pory zrobiłeś robi wrażenie. Jak potrzebujesz to dam Ci kilka tych KGF... i spróbuj. Co Ty na to?
Hmm...Nad szumami się jeszcze nie zastanawiałem. Póki co i tak nie miałbym czym ich zmierzyć w realnym obwodzie, co najwyżej w symulacji. Spróbuję kiedyś, żeby się przekonać jak to wygląda. Z KGF1305 jest kilka problemów. Pierwszy to taki, że chyba nie bardzo się na nich da zrobić lustro prądowe. Na mosfetach byłoby znacznie łatwiej. Zresztą nawet jeżeli do lustra wstawię 2n3904 zamiast bfr, to układ pracuje wcale nie dużo gorzej. Za to być może mogłyby się nieźle sprawdzić zamiast J310. J310 ogranicza mi prąd jaki mogę przepuścić. Druga rzecz: Uzyskiwanie szerokiego zakresu regulacji i przepuszczanie dużego prądu, to raczej sprzeczne wymagania. Jeżeli ma być wysokie tłumienie to wartość prądu musi zejść bardzo nisko. Sądzę, że KGF1305 by się po prostu marnowały w tym układzie. Kolega pewnie znajdzie dużo lepsze zastosowania. Mnie bardziej przydałby się odpowiednie przyrządy pomiarowe, bo ręczne spisywanie wyników jest okrutne.
Właśnie zastanawiam się dlaczego pomiędzy 3904, a BFR93A nie ma takich wielkich różnic i myślę, że to wina J310. Aktualnie mam podłączony sygnał do bramki J310 i wydaje mi się, że pojemność millera powoduje przepływ prądu pomiędzy Drenem a Bramką na wyższych częstotliwościach. Ten prąd zostaje wzmocniony, co ogranicza tłumienie. Tylko jak temu zapobiec?

------------------------------------------------------------------------------------

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).
İmage

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.
İmageİmage
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.)
İmage[/url]İmage
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):
İmage
Dwie charakterystyki: bez C1 i C2, C3, oraz z nimi
İmageİmage
Idealne nie jest, ale zawsze to trochę lepiej. Tłumienie może być oczywiście trochę większe, ale im większe tłumienie, tym bardziej zniekształcona charakterystyka.
(Ten post był ostatnio modyfikowany: 24-01-2017 9:37 przez SQ6FHU.)
24-01-2017 9:36
Znajdź wszystkie posty użytkownika Odpowiedz cytując ten post
Odpowiedz 


Skocz do:


Użytkownicy przeglądający ten wątek: 1 gości