µArt.cz

Tento text je přepisem přednášky z nedávno proběhlé konference a popisuje zapojení diodového synchronního usměrňovače.

Dle mého názoru spadá synchronní usměrňovač mezi určitou skupinu elektronických obvodů, kterou bych označil jako „elegantní elektronika“ – jedná se o relativně jednoduchý obvod umožňující nejen měření velikosti slabého signálu, ale také jeho fáze.

Klasický usměrňovač

Než přistoupíme k popisu synchronního usměrňovače, zastavíme se na chvíli u klasického diodového usměrňovače a popíšeme si jeho nevýhody.

Schéma na obrázku obsahuje dva jednocestné usměrňovače (proč, viz dále). Nejdříve se zaměřme na součástky D1 a R1, které tvoří první jednocestný usměrňovač. Vstupní sinusové střídavé napětí je generováno zdrojem Vin (jehož kmitočet je úmyslně volen velmi nízký, neboť se nebudeme zabývat chováním usměrňovače na vysokých kmitočtech).

Sumátor X1 zatím ignorujeme (představíme si, že je nahrazen přímým spojením katody diody D1 a uzlu out) a zdroj Vdc pomyslně nahradíme zkratem.

Na ideálním usměrňovači byl nevznikal žádný úbytek napětí, a na jeho výstupu bychom obdrželi napětí o střední hodnotě

\(
V_\text{out} = \frac{V_\text{in}}{\pi},
\)

kde \(V_\text{in}\) je amplituda vstupního sinusového napětí. Na našem usměrňovači však určitý napěťový úbytek vzniká.

Dioda se otevírá až od určitého (tzv. prahového) napětí, které lze zde odhadnout přibližně na 0,4 V (záleží jak velký proud diodou musí procházet, abychom ji považovali za otevřenou). Signály, jejichž napětí je nižší, prakticky nejsou usměrněny. Tento usměrňovač není vhodný pro usměrňování slabých signálů.

Obvyklé řešení tohoto problému je ke vstupnímu napětí přičíst tzv. předpětí, které „napomůže“ k otevření diody. Předpětí je ve schématu představováno zdrojem Vdc.

Zde je zvoleno předpětí o velikosti 0,4 V (zjištěno metodou pokus-omyl v simulátoru v simulačním programu Micro-Cap). Při nižším předpětí nejsou slabé signály schopny diodu otevřít, při vyšším předpětí je dioda naopak otevřena trvale (a k usměrňování nedochází).

Přepětí přidané na vstupu se pochopitelně projeví stejnosměrným výstupním ofsetem na výstupu. Výstupní ofset se projevuje jako nežádoucí složka, která je přičtena k výstupnímu napětí.

Nyní přichází ke slovu součástky D2 a R2, tvořící druhý usměrňovač. Na vstup druhého usměrňovače je přivedeno stejné předpětí, ale žádný signál. Za předpokladu, že je druhý usměrňovač sestaven ze stejných součástek jako první, bude na jeho výstupu stejný ofset jako u prvního usměrňovače. Tímto byl druhým usměrňovačem vytvořen samotný výstupní ofset, který je nyní odečten (sumátorem X1) od výstupního napětí prvního usměrňovače.

Řeší tedy zavedení předpětí usměrňování slabých signálů? K zodpovězení této otázky byla funkčnost usměrňovače otestována v simulačním programu Micro-Cap.

Graf znázorňuje převodní charakteristiku usměrňovače, tj. střední hodnotu výstupního napětí v závislosti na amplitudě vstupního sinusového napětí.

Přerušovaná černá přímka je převodní charakteristika ideálního jednocestného usměrňovače a její sklon odpovídá přímé úměře mezi vstupním a výstupním napětím.

Směrem k nižším vstupním napětím se převodní charakteristika usměrňovače odchyluje od ideálního, a to i při použití předpětí. Pro nízká vstupní napětí je sklon převodní charakteristiky dvojnásobný, což ukazuje na kvadratickou závislost – a zde nastává problém. Snížení vstupního napětí na polovinu způsobí snížení výstupního napětí na čtvrtinu.

Klasický usměrňovač se nehodí k usměrňování slabých signálu, neboť na jeho výstupu obdržíme velmi nízké napětí. Možným řešením je použít synchronní usměrňovač.

Princip synchronního usměrňování

Synchronní usměrňovač je schopen zpracovat i slabé signály. Myšlenka je následující: „Proč se marně snažit otevírat diodu (nebo jiný prvek) slabým signálem, když lze k otevření použít silný, předem připravený signál?“

Předpokládejme, že máme k dispozici ideální spínač řízený obdélníkovým hodinovým signálem \(\phi\) (nebo jeho inverzní podobou \(\bar{\phi}\)).

Oba obvody (a i b) na obrázku jsou synchronní usměrňovače. Synchronní usměrňovač střídavě přechází mezi dvěma fázemi.

• Blokující fáze (\(\phi = 0\)). Na vstup dolní propusti (DP) je přivedeno nulové napětí (v obvodu a přes paralelní rezistor \(R_\text{par}\), v obvodu b přes sepnutý spínač).
• Propustná fáze (\(\phi = 1\)) Na vstup dolní propusti se dostává vstupní napětí (v obvodu a přes sepnutý spínač, v obvodu b přes sériový rezistor (\(R_\text{ser}\)).

Na konkrétních odporech rezistorů \(R_\text{par}\) a \(R_\text{ser}\) zde nezáleží, neboť předpokládáme, že spínače jsou ideální a dolní propust má nekonečně velkou vstupní impedanci.

Vstupní napětí je tak v rytmu hodinového signálu \(\phi\) modulováno („rozsekáno“) a poté je určena jeho střední hodnota pomocí dolní propusti. Toto je princip synchronního usměrňovače.

Variantu a budeme nazývat zapojením se sériovým spínačem, b s paralelním spínačem.

Nyní se podívejme na časové průběhy při synchronním usměrňovaní.

Vstupní napětí \(v_\text{in}(t)\) je kosinusové a přesně ve fázi s hodinovým signálem \(\phi(t)\). Z kosinusovky jsou ponechány pouze kladné půlvlny (napětí \(v_\text{mod}(t)\)) a střední hodnota výsledného signálu je kladná.

Nyní je usměrňované napětí \(v_\text{in}(t)\) sinusové, které je oproti hodinovému signálu \(\phi(t)\) posunuto o 90°.

Ze vstupního napětí je ponechána stejně velká část kladné i záporné půlvlny, a tak je střední hodnota výsledného signálu nulová.

Synchronní usměrňovač reaguje na kosinusový signál, ale ne na sinusový.

Diodový synchronní usměrňovač

Již víme, že synchronní usměrňovač se může nacházet ve dvou fázích – propustné a blokující. Nyní popíšeme jednoduchý obvod, který lze mezi těmito fázemi elektronicky přepínat.

Varianta s paralelní diodou

Vstupní napětí \(v_\text{in}\) je přivedeno na napěťový dělič tvořený sériovým rezistorem a paralelní diodou. Katoda diody je připojena na zdroj hodinového signálu, který se (pokud možno) chová jako napěťový zdroj s malým vnitřním odporem.

Je-li úroveň hodinového signálu vysoká (dostatečně vyšší než vstupní napětí), dioda je pólována v závěrném směru, její odpor je vysoký a signál ze vstupu prochází přes rezistor na výstup. Usměrňovač se nyní nachází v propustné fázi.

Při nízké úrovni (dostatečně nižší než vstupní napětí) hodinového signálu je dioda pólována v propustném směru a její odpor je nízký. Dioda se chová jako zkrat, který brání vstupnímu signálu v průchodu na výstup. Na výstup proniká pouze hodinový signál. Usměrňovač se nyní nachází v blokující fázi.

Za předpokladu, že na vstupu usměrňovače je signál neobsahující příliš vysoké kmitočty (a tím se neprojeví parazitní kapacita diody), v propustné fázi se usměrňovač chová téměř ideálně. Na druhou stranu v blokující fázi se projevuje odpor diody a výstup proniká malé množství vstupního signálu.

Usměrňovač nedokáže zpracovat vstupní napětí libovolné velikosti. Jsme omezeni (mimo jiné) rozkmitem hodinového signálu.

Okamžitá hodnota napětí hodinového signálu zvětšená o prahové napětí vymezuje hranici, kterou by vstupní napětí nemělo překročit v propustné fázi (jinak dojde k otevření diody a signál je ořezán) a pod kterou by se nemělo nacházet v blokující fázi (jinak dojde k uzavření diody a signál pronikne na výstup).

Zjednodušeně řečeno: rozkmit vstupního napětí by měl být dostatečně nižší než rozkmit hodinového signálu.

Varianta se sériovou diodou

Propustná fáze nastává, pokud je napětí hodinového signálu vyšší než vstupní napětí. Tehdy je dioda pólována v propustném směru a vstupní signál přes ni prochází na výstup. Samozřejmě se projevuje odpor diody a výstupní napětí je nižší než vstupní a je stejnosměrně posunuto přibližně o velikost prahového napětí diody.

Je-li napětí hodinového signálu nižší než vstupní napětí, je dioda pólována v propustném směru a uzavřena, a tak nastává blokující fáze. Odpor diod v závěrném směru bývá relativně vysoký a (zanedbáme-li parazitní kapacitu diody) v blokující fázi na výstup usměrňovače neproniká prakticky žádný signál ze vstupu. Na výstup pochopitelně proniká hodinový signál bez jakéhokoli zeslabení.

Podobně jako u varianty s paralelní diodou, i zde je schopen usměrňovač zpracovat pouze omezený rozsah vstupního napětí.

Okamžitá hodnota hodinového signálu snížená o prahové napětí diody vyznačuje určitou hranici. V propustné fázi by vstupní napětí mělo být nižší než tato hranice (jinak je výstupní signál ořezán), v blokující fázi by mělo být vyšší (jinak část vstupního signálu pronikne na výstup).

Zlepšení parametrů usměrňovače

Popsaný diodový synchronní usměrňovač trpí následujícími nedostatky.

• Vysoký výstupní ofset. Na střední hodnotě výstupního napětí se podílí nejen vstupní signál, ale také signál hodinový (který je přítomen na výstupu v blokující fázi). Tyto dvě složky se sčítají a je problém je od sebe oddělit.
• Vstupní signál je v propustné fázi částečně utlumen nebo v blokující fázi částečně proniká na výstup, čímž se zkresluje jeho příspěvek do střední hodnoty výstupního napětí.
• Závislost mezi vstupním a výstupním napětím je nelineární (kvůli nelineární voltampérové charakteristice diody).
• Na vysokých kmitočtech způsobuje konečná rychlost diody a její parazitní kapacita zhoršení citlivosti usměrňovače.

Podobné nedostatky se vyskytují i u klasického diodového usměrňovače.

Kompenzace ofsetu odečtením

Obvod obsahuje dva synchronní usměrňovače. Jelikož usměrňovač v referenční cestě usměrňuje nulový signál (jeho vstup je připojen na zem), na jeho výstupu obdržíme ofset samotný. Na výstupu usměrňovače v signálové cestě obdržíme usměrněný signál včetně ofsetu. V rozdílovém zesilovači dojde k vzájemnému odečtení ofsetů.

Ofset můžeme přesně kompenzovat popsaným způsobem, pouze pokud jsou ofsety obou usměrňovačů shodné. V praxi to znamená sestavit oba usměrňovače ze stejných součástek.

Namísto varianty se sériovými diodami lze použít i variantu s paralelními diodami.

Popsaný obvod odstraňuje pouze výstupní ofset, ale neřeší ostatní výše popsané problémy.

Kompenzace ofsetu a útlumu pomocí zpětné vazby

Obvod na obrázku opět obsahuje dva (ideálně stejné) synchronní usměrňovače, nicméně zde je možno použít pouze variantu se sériovou diodou (protože nyní nelze kompenzovat pronikání signálu v blokující fázi).

Výstup operačního zesilovače je spojen se vstupem usměrňovače v referenční cestě. Operační zesilovač na svém výstupu nastavuje takové napětí, aby mezi výstupními napětími obou usměrňovačů nebyl žádný rozdíl. Obvod je tak schopen kompenzovat nejen ofset, ale také útlum signálu na diodách.

Výstupní napětí operačního zesilovače je tak rovno střední hodnotě vstupního signálu během propustné fáze.

Pro ověření byl obvod „sestaven“ v simulačním programu Micro-Cap.

Chybový zesilovač (tvoření řízeným zdrojem E1) funguje jako operační zesilovač a dolní propust dohromady (zdánlivě složitá přenosová funkce 1 / (a * s^2 + sqrt(2 * a) * s) simuluje dva integrační zesilovače tak, aby výstupní napětí bylo řádně vyhlazeno a současně se rychle ustálilo bez překmitu).

Vstupní napětí (zdroj Vin) má kmitočet 100 kHz, amplitudu 1 V a je přesně ve fázi s hodinovým signálem (zdroj Vphi). Propustná fáze se tak přesně kryje s kladnou půlvlnou vstupního napětí, jejíž střední hodnota je (\(^2/_\pi\)) V.

Výsledky simulace jsou následující. Po ustálení se na výstupu nacházelo napětí 0,635552 V, což je odchylka −0,17% oproti očekávané hodnotě (\(^2/_\pi\)) V. Na odchylce se podílí parazitní kapacita diody a její nelinearita.

Kmitočtově závislý útlum a nelinearita není bohužel kompenzována (pravděpodobně by byl zapotřebí mnohem složitější obvod).

Závěr

Slabé signály nedostačují k patrnému otevření nebo uzavření diody, a proto je obtížné je usměrňovat pomocí klasického diodového usměrňovače. Synchronní usměrňovač tímto problémem netrpí.

Synchronním usměrňovačem lze rozlišit kosinusovou a sinusovou složku, a tak jím je možno měřit kromě velikosti i fázový posuv signálu. Díky tomu nachází synchronní usměrňovač uplatnění například v měřicí technice.