Active Clipper schreckliche Leistung

TLDR:

Sie benötigen einen Operationsverstärker mit einem Bandbreitenprodukt mit hoher Verstärkung und einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit, damit diese Schaltung funktioniert. Die Kondensatoren, die Sie hinzugefügt haben, werden Ihnen überhaupt nichts nützen.

Es sieht so aus, als wäre diese Antwort zu erwarten.

Hier ist ein Artikel von Analog Devices , der die Verwendung von Operationsverstärkern als Präzisions-Clipper diskutiert.

Der Artikel stellt fest, dass es 10 Mikrosekunden dauert, bis die Clipping-Aktion die Ausgangsspannung auf das gewünschte Niveau bringt, und dass der Clipper aus diesem Grund auf die Verwendung auf nur wenige Kilohertz beschränkt ist.

Hier ist die Schaltung, die Analog verwendet hat:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Der Simulator hier hat nicht den 6015. Ich habe den viel schnelleren AD712 verwendet. Wie Sie sehen können, hat es immer noch kurze Spitzen, wo das Clipping einsetzt:

Diese Spitzen sind ungefähr eine Mikrosekunde lang.

Beobachten Sie nun, was passiert, wenn ich den LM358 verwende (der nicht als schneller Operationsverstärker bekannt ist).

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Clipping mit dem 358:

Die "Spikes" sind viel länger. Etwa 20 Mikrosekunden lang.

Die Spikes des 358 sind etwa zehnmal so lang wie die Spikes des AD712.

Die Anstiegsgeschwindigkeit für den AD712 beträgt etwa 20 V pro Mikrosekunde.

Die Anstiegsgeschwindigkeit für den LM358 beträgt etwa 0,5 V pro Mikrosekunde.

Die Länge der Spikes ist (zumindest etwas) proportional zur Anstiegsgeschwindigkeit des Operationsverstärkers.

Es sieht so aus, als ob Sie nur einen sehr schnellen Operationsverstärker benötigen , wenn Sie eine aktive Klemmschaltung erstellen möchten.

Ich ging zurück und spielte mit dem Modell des LM358.

Das Modell LM358 des Schaltungslaborsimulators hat ein Produkt der Verstärkungsbandbreite (GBW) von 1 MHz und eine Anstiegsgeschwindigkeit von 0,25 V pro Mikrosekunde.

Wenn ich sie auf eine GBW von 10 MHz und eine Anstiegsrate von 2,5 V pro Mikrosekunde ändere, verschwinden die Spitzen so gut wie.

Die Breite der Spitzen hängt auch davon ab, wo das Clipping in der Sinuswelle auftritt, und von der Zielhöhe des Signals - das beeinflusst, wie schnell sich die Spannung ändert, was auch beeinflusst, wie schnell der Operationsverstärker seinen Ausgang anheben muss.

Sie brauchen wirklich einen furchtbar schnellen Operationsverstärker, damit das funktioniert.

Es ist nicht verwunderlich, warum es nicht funktioniert. Ich glaube, Sie missverstehen, wie eine Klemmdiode an einer Stromschiene normalerweise funktioniert. Oder vielleicht tun Sie das, aber Sie haben stattdessen diesen Ansatz gewählt, um zu versuchen, die Klemmung genauer zu machen.

So wie es aussieht, ist es eher so, als würden Sie aktiv versuchen, den Operationsverstärker bei Bedarf anzusteuern, um die Leitung zu klemmen, wodurch die Klemmgeschwindigkeit vollständig von der Bandbreite des geschlossenen Regelkreises und der Stromsenkefähigkeit des Operationsverstärkers abhängt. Der Operationsverstärker ist auch gesättigt, wenn er nicht geklemmt wird, was das Klemmen aufgrund der Zeit, die zum Verlassen der Sättigung erforderlich ist, noch langsamer macht.

Könnte ich vorschlagen, dass Sie eine zweite, identische Diode in die Schaltung einfügen, damit der Ausgang des Operationsverstärkers so eingestellt wird, dass er um einen Dioden-Durchlassspannungsabfall über Ihrer gewünschten Klemmspannung liegt. Auf diese Weise kompensieren Sie den Durchlassspannungsabfall von D1 beim Klemmen.

Behandeln Sie den Operationsverstärker dann einfach als normale Stromschiene, an die die erste Diode klemmt.

Dann werfen Sie einen Kondensator zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers und GND, damit er nicht so schnell reagieren muss, um die Spitze zu absorbieren. Beachten Sie jedoch die Stabilitätsprobleme, die mit einer großen kapazitiven Last verbunden sind. Möglicherweise müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um dies zu handhaben.

Auf diese Weise wird der Operationsverstärker nicht gesättigt und die Kappe ist auch dazu da, einen Teil der Klemmenergie zu absorbieren, während die Steuerschleifen des Operationsverstärkers Zeit brauchen, um zu reagieren.

Außerdem weiß ich nicht, warum C3 da ist oder warum R15 so groß sein muss. Diese zusammen werden eine Tonne Phasenverzögerung hinzufügen. R15 muss nur groß genug sein, um den Strom durch die Klemmmechanismen zu begrenzen. Normalerweise ist dieser Mechanismus nur eine Diode und die Stromversorgung kann nicht vernachlässigt werden, aber in Ihrem Fall haben Sie hier einen Operationsverstärker mit begrenzter Treiberfähigkeit, aber 1K scheint immer noch viel zu groß zu sein. Wenn Sie einen stärkeren Antrieb über ein tatsächliches Netzteil oder eine externe Gegentaktstufe hätten, müsste R15 nicht so groß sein.

Wenn Ihr Ziel jedoch nur der Überspannungsschutz für den ADC ist, verstehe ich nicht, warum Sie die Klemmdiode nicht einfach direkt an eine Stromschiene anschließen können. Ich verstehe nicht, warum Sie all diese ausgefallenen Dinge hinzufügen müssen, um eine Präzisionsklemme herzustellen, wenn Sie nur einen Überspannungsschutz wünschen.