Нелінійні спотворення потенціомет
Розглянемо, як поводяться змінні резистори в активних регуляторах рівня сигналу.
Схеми включення змінних резисторів дві і представлені вони на Рис.41 і Рис.42 (те, що й у другій частині статті Рис.17 і Рис.18). На Рис.41 потенціометр включений за реостатною схемою, а на Рис.42 – за потенціометричною. Далі в тексті реостатне включення змінного резистора має на увазі схема Рис.41, а потенціометричне - схема Рис.42.
Почнемо цю частину статті з розгляду регуляторів з урахуванням дискретних резисторів. Як мовилося вище, нелінійні характеристики дискретних регуляторів досить стабільні, і їх основі легше показати основні закономірності поведінки спотворень при регулюванні рівня сигналу. Тут так само при проведенні експериментів з дискретними потенціометрами коефіцієнт гармонік вимірювався по третій гармоніці і як буде показано нижче виграш від такого підходу тут більший.
 |  |  |
Експерименти представлені у двох серіях на графіках Рис.44. Як регулятор використовувався лінійний дискретний потенціометр з повним опором 33кОм. У цьому діапазоні значень опорів резисторів дискретного регулятора найбільші спотворення спостерігалися у резисторів ЧІП. Лінійний потенціометр зібраний на десяти резисторах типу ЧІП номіналом 3,3кОм, як буферний каскад використовувалася мікросхема LME 49860 при напрузі живлення ± 20 вольт. Власні нелінійні спотворення установки по третій гармоніці не гірші за 1,3*10-6 %.
Результати першої серії експериментів активного регулятора рівня в реостатному (Рис.41) та потенціометричному (Рис.42) включенні потенціометра наведені на Рис.44 відповідно криві «Реост акт» та «Потенц акт».Напруга, що подається на вхід активного регулятора цієї серії 6 вольт.
Результати другої серії експериментів у стандартному потенціометричному включенні потенціометра з буферним каскадом на інверторі (Рис.43) наведено на Рис.44 (криві «Потенц» і «Потенц 12в»). Вхідна напруга в цій серії експериментів 6 та 12 вольт.
Першим розглянемо результат експерименту активного регулятора в реостатному (Рис.41) включенні потенціометра крива "Реост акт" (зелений колір). Як видно з графіка, коефіцієнт гармонік регулятора практично постійний у всьому діапазоні коефіцієнта передачі регулятора і коливається на рівні 1 E -05%. Коефіцієнт гармонік струму, що протікає через потенціометр, виміряний відповідно до схеми Рис.26 дорівнює 1,1 E -05 %. З чого випливає, що спотворення активного регулятора в реостатному включенні визначається спотвореннями струму, що протікає через потенціометр. Крива («Потенц акт») у потенціометричному включенні починається як видно з графіка Рис.44 з однієї точки з попередньою кривою, проте далі знижується.
Порівняємо поведінку спотворень активного регулятора зі стандартним потенціометричним включенням Рис.43 з буферним каскадом на інверторі. Графік кривої («Потенц») стандартного включення потенціометра наведено на Рис.44 так само для вхідної напруги 6 вольт. З поведінки графіка видно, що початкова точка кривої відповідає коефіцієнт гармонік установки. Далі після деякого зростання крива виходить на рівень, де коефіцієнт гармонік практично постійний. Щоб підтвердити це твердження у цьому включенні було проведено другий експеримент, але з вхідною напругою 12 вольт. З результатів цього експерименту видно, що після початкового зростання коефіцієнт гармонік практично не змінюється і залишається дето на рівні 1 * 10-5%.
Таким чином, і для резисторів ЧІП спотворення в потенціометричному включенні (3,8*10-6 %) нижче як спотворень струму (1,1*10-5 %), що протікає через потенціометр, так і спотворень у напрузі окремого елемента (1 *10-5%) однорідного лінійного потенціометра.
З розгляду кривих «Потенц акт» і «Потенц» графіка Рис.44 видно, що криві зближуються одного рівня і найімовірніше при коефіцієнті передачі регулятора менше 0,5 мають близькі значення.
Підсумовуючи цю серію експериментів можна констатувати, що з погляду спотворень власне потенціометрів найкраще включення стандартне потенціометричне, дещо поступається йому (в початковій зоні) потенціометричне включення в активному регуляторі та найбільші спотворення у реостатному включенні.
Розглянемо далі поведінку спотворень активного регулятора з потенціометром (10кОм) на резисторах МЛТ, спотворення якого зіставні з спотвореннями ОУ LME 49860, але менше спотворень ОУ OP 275. Таким чином, в першій серії експериментів в регуляторі використовувався ОУ LME 49 , у другій – OP 275, при вхідній напрузі 2 вольти. Власні спотворення інверторів (за третьою гармонікою) у першій серії експериментів 2,7*10-6 у другій – 7,4*10-5. Вимірювання проводилися також для реостатного і потенціометричного включення потенціометра.
Результати першої серії експериментів наведено на графіку Рис.45. Верхні криві відповідають коефіцієнтам гармонік загального вигляду, нижні – розраховані за третьою гармонікою.
Розглянемо поведінку кривих розрахованих за третьою гармонікою. Початкові значення кривих, як і слід очікувати, рівні й виходять із однієї точки – 3,1*10-6 %. Вони трохи вищі за власні спотворення інвертора. Далізначення кривих зменшуються, але механізми зменшення значень вони різняться.
Коефіцієнт гармонік кривої в реостатному включенні («Кг3 реостат.») на початковій ділянці визначаються домінуючими спотвореннями ОУ LME 49860. Далі в міру зниження спотворень ОУ швидкість спаду значень коефіцієнта гармонік знижується, і в кінцевій області графіка починають превалювати спотворення і на значення струмових спотворень потенціометра (десь 1,5*10-6 % ÷ 1,7*10-6 %).
У потенціометричному включенні («Кг3 потенц.»), У зв'язку з нижчими спотвореннями потенціометра в цьому включенні, крива практично повторює криву спотворень ОУ LME 49860.
Графіки спотворень загального виду наведено на Рис.45 кривими «Кг реостат.» та «Кг потенц.». У спотвореннях загального виду домінує друга гармоніка ОУ LME 49860 (спотворення потенціометра в зоні спостереження за другою гармонікою малі), тому як у реостатному, так і потенціометричному включенні коефіцієнт гармонік практично повністю визначається спотвореннями ОУ
Як говорилося вище, у другій частині статті, мікросхема LME 49860 має дуже малі струмові спотворення по виходу, тому і як видно з графіка зростання спотворень із зменшенням коефіцієнта передачі регулятора не спостерігаються.
Результати другої серії експериментів наведено на графіку Рис.46. Тут як активний елемент використовувалася, як говорилося вище мікросхема OP 275. Ця мікросхема має спотворення, що істотно перевищують спотворення потенціометра і досить великі струмові спотворення по виходу, через що на графіку Рис.46 наведені дані коефіцієнта гармонік тільки для загального вигляду.
Розглядаючи поведінку кривих графіка видно, що криві розходяться і зростають. Причому різницязначень поступово зростає із зменшенням коефіцієнта передачі регулятора.
Зростання кривих графіка тут обумовлено як раніше про це йшлося про вихідні струмові спотворення ОУ. А різницю поведінки кривих у різних включеннях потенціометра активного регулятора обумовлена меншими струмовими спотвореннями ОУ після виходу потенціометричному включенні. З графіка видно, що ефект зниження спотворень при потенціометричному включенні починає проявлятися при коефіцієнті передачі регулятора близько 0,5. Граничне значення коефіцієнта цієї різниці за мінімального коефіцієнта передачі близько чотирьох.
Далі розглянемо поведінку безперервних потенціометрів в активних регуляторах. Схеми включення змінних резисторів ті ж, що і для дискретних потенціометрів і наведені на Рис.41 і Рис.42.
Результати експериментів з потенціометрами СП3-12 (33кОм), ALPS (10кОм) представлені відповідно на графіках Рис.47 та Рис.48. У цьому експерименті як буферний каскад використовувалася мікросхема LME 49860, вхідна напруга 4 вольта. Власні спотворення установки за одиничного коефіцієнта передачі регулятора 1,2*10-5 %.
Аналізуючи поведінку кривих на графіках Рис.47 і Рис.48 можна дійти таких висновків:
- на обох графіках спотворення у потенціометричному включенні резисторів менше спотворень у реостатному включенні;
- Початкові координати на обох графіках, як у потенціометричному включенні, так і в реостатному включенні виходять з однієї точки;
- у середній частині графіків розташована область, де коефіцієнт гармонік практично постійний у реостатному включенні та знижується у потенціометричному включенні;
- починаючи з коефіцієнта згасання регулятора -15дБ - -20дБ слідобласть досить швидкого зростання коефіцієнта гармонік.
На кривих графіка Рис.47 видно досить сильні коливання значень коефіцієнта гармонік (що ускладнюють аналіз поведінки регулятора) викликані рухомий системою регулятора. Регулятор на потенціометрі ALPS як видно з кривих графіка Рис.48 істотно якісніше, у зв'язку з чим на ньому і зупинимося. І ще одне зауваження загального характеру: спотворення регуляторів, виконаних на потенціометрі СП3-12, визначаються нелінійними властивостями лише самих потенціометрів, для резистора ALPS спотворення потенціометра можна порівняти зі спотвореннями буфера.
Зіставимо графіки активних дискретних Рис.44 і безперервних Рис.48 регуляторів. Загальний вид поведінки кривих графіків рівня приблизно -20дБ однаковий: постійне значення коефіцієнта гармонік для реостатного включення і його при потенциометрическом включенні. А ось далі починаючи з коефіцієнта згасання регулятора -15дБ - -20дБ і менше в "безперервному" (Рис.48) регуляторі спостерігається швидке зростання коефіцієнта гармонік. Це зростання схоже на вигляд, що й у дискретному регуляторі на ОУ OP 275 (Рис.46), проте механізм зростання тут інший. Він викликаний тим же механізмом що і в пасивних регуляторах - домінуючими спотвореннями контакту двигуна потенціометра в області високих згасань регулятора. Цей вид спотворень у дискретних регуляторів немає.
Спотворення в реостатному включенні «безперервних» потенціометрів в активних регуляторах мають дві складові: спотворення резистивного шару та спотворення, що вносяться двигуном потенціометра, через який протікає повний струм потенціометра. Це, крім збільшення спотворень регулятора, привносить у поведінку кривої і велику хвилястість (нестабільність). Найбільш яскраво вплив двигуна потенціометра на спотворення видно наприклад потенціометра СП3-12 в реостатному включенні, це і зростання спотворень в середній частині кривої і сильні коливання значень Кг. У потенціометричному включенні вплив двигуна дещо нижчий, однак, і тут «хвилястість» досить значна. Крім того, при великих ослабленнях коефіцієнта передачі регулятора як видно це з графіків різниця значень спотворень між реостатним і потенціометричним включенням зменшується.
У потенціометричному включенні для потенціометра ALPS починаючи з точки розриву і далі (див. Рис.48) значення амплітуд гармонік досить не стабільні і співставні з шумом на виході ОУ і представлені на графіку поведінкою кривої для трьох точок максимально значень, що спостерігаються.
У початковій точці графіка спотворення активному регуляторі для потенціометра ALPS визначаються як спотвореннями потенціометра, і спотворенням установки. У середній частині графіка у реостатному включенні спотворення постійні та визначаються переважно спотвореннями резистивного шару потенціометра, у потенціометричному включенні – спотворенням установки
Нелінійні спотворення дискретних резисторів
Нижче в Таблиці 24 наведено результати експерименту з вимірювання спотворень низки дискретних резисторів (що вдалося зібрати). Експеримент проводився за схемою вимірювання спотворення струму, що протікає через резистор (Р-подібний ланцюжок Рис.32). Номінал нижнього резистора Г-подібного ланцюжка 1кОм (С2-29), струм, що протікає через випробуваний резистор, підтримувався на рівні 1,4мА для всіх типів резисторів. З метою підвищення достовірності результатів вимірювання експеримент проводився не менше ніж із двома резисторами кожного типу