광대역 전압계용 RMS 검출기 - 설계 및 작동

이전 프로젝트에서는 최대 신호 진폭을 결정하기 위해 피크 검출기를 사용하는 광대역 전압계를 시연했습니다. 피크 검출기는 다양한 측정에 적합하지만, 노이즈를 포함한 일부 측정의 경우 RMS(평균 제곱근) 검출기가 필요합니다. 원래의 피크 검출기를 대체하는 RMS 검출기를 갖춘 광대역 전압계의 블록 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다.

회로에 대해 알아보기 전에 수학에 대해 간단히 복습해 보겠습니다. 신호의 Root-Mean-Square 값을 생성하려면 용어의 단어를 오른쪽에서 왼쪽으로 적용해야 하는데 이는 약간 혼란스럽습니다.

먼저, 신호를 제곱합니다(피크를 자르지 않고 신호 자체를 곱합니다!). 그런 다음 평균값(평균값)을 계산합니다. 평균은 일반적으로 최소 한 주기에 걸쳐 측정되지만 때로는 반 주기 평균이 사용되기도 합니다. 마지막으로 커패시터 양단의 전압의 제곱근을 구합니다.

수학적으로 RMS 계산은 다음과 같이 표현됩니다.

$$V_{rms} = \sqrt{평균(V^2)}$$

개별 구성 요소로 RMS 감지기를 만드는 것이 가능하지만 신중하게 일치하는 장치가 필요하며 성능이 종종 실망스러울 수 있습니다. 집적 회로(IC)는 특히 제조 중에 레이저 트리밍을 적용하는 경우 훨씬 더 나은 성능을 제공할 수 있습니다. 이는 저렴한 프로세스가 아니므로 이러한 장치는 범용 연산 증폭기 및 비교기보다 비용이 더 많이 듭니다.

Analog Devices AD736은 진정한 RMS-DC 컨버터 IC이며 우수한 성능을 제공하는 저렴한 버전(AD736J)(및 정밀 성능을 갖춘 더 비싼 세 가지 버전)으로 제공됩니다. 모든 버전에서 유용한 대역폭은 200kHz로 제한되지만 이는 일반적으로 특수 장비로 수행되지 않은 RMS 측정에 상당히 허용됩니다.

RMS 감지기 회로도는 그림 2에 표시되어 있으며 원래 광대역 전압계 프로젝트의 그림 5 회로를 대체합니다.

RMS 검출기는 진폭이 급격하게 변하는 파형을 측정하는 데 자주 사용되므로 디지털 디스플레이를 사용할 수 없습니다. 가동 코일 미터와 1dB 이하의 분해능을 가진 LED 막대 그래프 중에서 선택할 수 있습니다.

AD736 및 유사한 장치에 사용된 기술은 신호 레벨에 따라 달라지는 고주파수 응답을 생성합니다. 본 출원에서는 전압계가 1mV 범위에서 최대 감도로 설정된 경우를 제외하고는 장치에 인가되는 신호 레벨이 316mV ~ 1V 범위 내에서 유지될 수 있으므로 이는 심각한 문제가 되지 않습니다.

그림 3은 세 가지 입력 신호 레벨에서의 주파수 응답을 보여줍니다. 응답은 대역 한계에서 매우 가파르게 떨어집니다.

가동 코일 미터 판독의 오류는 중요한 특징입니다. 물론 작은 편향은 작은 규모에서는 판독하기 어렵기 때문에 미터의 크기에 따라 다릅니다. 제가 사용한 110mm 스케일 길이의 장비의 결과가 그림 4에 나와 있습니다.

물론 이 상당히 큰 미터를 사용하더라도 -30dB 및 -34dB에서의 편향은 매우 작으므로 해당 레벨을 정확하게 읽을 수는 없습니다.

그림 5에는 Analog Devices AD736의 단순화된 제품 구성도가 나와 있습니다.

그림 6은 Analog Devices의 회로 설계에 대한 추가 세부 정보를 제공합니다. 이 장치는 그림 6의 중앙 부근에 윤곽이 그려져 있고 'RMS TRANSLINEAR CORE'라고 표시된 횡단선형 회로를 사용합니다. 트랜스리니어 회로는 바이폴라 트랜지스터(어떤 경우에는 CMOS를 사용할 수 있음)와 전류 소스로만 구성됩니다. 패시브 구성 요소가 없습니다.

데이터 시트는 Analog Devices의 모든 비밀을 공개하지는 않지만 작동의 기본 사항을 평가할 수 있습니다. 제곱 및 제곱근 연산은 횡단선형 회로에 의해 수행됩니다. 제곱의 경우 신호는 베이스-이미터 접합에 대한 전류로 표시됩니다. 이를 통해 발생된 전압은 전류의 로그에 비례합니다. 이는 전류가 전압 지수에 비례한다는 보다 친숙한 표현의 반대입니다.