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干货 | 一个精密整流的实验

2019-06-11
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最近做了一个精密整流电路的实验,得到一些粗浅的结论。考虑到精密整流电路是一个常见的电路,此实验结果能够给大家提供一些参考信息,故此发帖。


实验电路如下。其中运放为AD8048,主要参数为:大信号带宽160MHz,压摆率1000V/us。二极管是SD101,肖特基二极管,反向恢复时间1ns。所有电阻值参照AD8048的数据手册确定。



实验第一步:在上述电路中断开D2,短路D1,检测运放本身的大信号频响。输入信号峰值保持在1V左右,频率从1MHz变化到100MHz,用示波器测量输入输出幅度,并计算电压增益。结果如下:


在1M到100M频率范围内,波形均无可观察到的明显失真。


增益变化如下:1M-1.02,10M-1.02,35M-1.06,50M-1.06,70M-1.04,100M-0.79.


可见此运放的大信号闭环3分贝截止频率大约在100MHz多一点。这个结果基本符合AD8048手册给出的大信号频响曲线。


实验第二步,加入两个二极管SD101A。输入信号幅度仍然保持在1V峰值左右,同时测量输入与输出。在观察输出波形后,还利用示波器的测量功能,测量了输入信号的有效值与输出信号的周期平均值,并计算它们的比值。结果如下(数据依次是频率、输出平均值mV、输入有效值mV、以及它们的比值:输出平均值/输入有效值):

100kHz,306,673,0.45

1MHz,305,686,0.44

5MHz,301,679,0.44

10MHz,285,682,0.42

20MHz,253,694,0.36

30MHz,221,692,0.32

50MHz,159,690,0.23

80MHz,123,702,0.18

100MHz,80,710,0.11


可见,在低频时该电路可以很好地实现精密整流,但是随着频率的升高,整流精度逐渐下降。若以100kHz的输出为基准,则大概在30MHz时输出已经下降了3dB。


运放AD8048的大信号单位增益带宽是160MHz,此电路的噪声增益为2,所以闭环带宽约为80MHz(前面已经介绍,实际的实验结果是略大于100MHz)。整流输出平均值下降3分贝的频率大约是30MHz,不到被测试电路的闭环带宽的三分之一。换言之,若我们要做一个平坦度在3dB以内的精密整流电路,电路的闭环带宽至少应该是信号最高频率的三倍以上。

 

下面是测试波形。黄色波形是输入端vi的波形,蓝色波形是输出端vo的波形。


在频率很低时,输出波形是一个接近完整的半波整流波形(馒头波)。但是随着频率的升高,输出波形发生畸变。首先是在馒头波开始的地方,也就是二极管开始导通的时刻,输出波形有一个缺口。



随着频率的升高,信号周期越来越小,这个缺口占的比例就越来越大。



观察此时运放的输出端(注意不是vo)波形,可以发现在输出过零的前后,运放的输出波形有严重的畸变。下面就是频率为1MHz与10MHz时运放输出端的波形。




可以将前面的波形与推挽输出电路中的交越失真比较。下面给出一个直观的解释:

在输出电压较高时,二极管完全导通,此时它有一个基本固定的管压降,运放的输出始终比输出电压高一个二极管的管压降。此时运放工作在线性放大状态,所以输出波形是个很好的馒头波。


在输出信号过零的时刻,两个二极管中的一个开始从导通过渡到截止,而另一个从截止过渡到导通。在这个过渡期间,二极管的阻抗极大,可以近似认为开路,因此此时的运放并没有工作在线性状态,而是接近开环。在输入电压的作用下,运放将以可能的最大速率改变输出电压使得二极管进入导通状态。但是运放的压摆率是有限的,它不可能在瞬间将输出电压提升到使得二极管导通。另外二极管从导通到截止或从截止到导通都有过渡时间。所以输出电压就出现了一个缺口。从上面运放输出端的波形可以看出,运放在输出过零的时刻是如何“努力”地企图改变输出电压的。


有些材料包括教科书都介绍说,由于运放的深度负反馈,二极管的非线性被减弱到原来的1/AF。但是实际上在输出信号过零时刻附近,由于运放接近开环,所有关于运放负反馈的公式都是失效的,根本不能用负反馈原理来分析二极管的非线性。

 

如果信号频率进一步提高,那么不仅是压摆率的问题,运放本身的频响也在劣化,所以输出波形就变得相当糟糕。下图是信号频率50MHz时的输出波形。



前面的实验基于运放AD8048和二极管SD101。为了比较,我做了更换器件的实验,结果如下:

一、将运放换成AD8047。此运放的大信号带宽(130MHz)略低于AD8048(160MHz),压摆率也低一些(750V/us,8048为1000V/us),开环增益1300左右,也比8048的2400左右低一些。实验结果(频率、输出平均值、输入有效值、两者的比值)如下:

1M,320,711,0.45

10M,280,722,0.39

20M,210,712,0.29

30M,152,715,0.21


可见它的3dB衰减大约在20MHz不到一点的地方。此电路的闭环带宽约为65MHz,所以输出平均值下降3分贝的频率也是小于电路闭环带宽的三分之一。

 

二、用2AP9,1N4148等替换SD101,但是最后得到的结果都差不多,没有实质性的差别,所以这里就不再赘述。

 

另外还有一个电路,就是将电路中的D2开路,如下图所示。



它与采用两个二极管的电路(以下简称双管电路)的重要区别是:双管电路中,运放仅仅在信号过零附近处于近似开环的状态,而这个电路(以下简称单管电路)中的运放在半个信号周期内都处于完全开环状态。所以它的非线性肯定比双管电路的严重得多。


下面是这个电路的输出波形:

100kHz,与双管电路差不多,也是在二极管导通时有一个缺口。原来应该平的地方有些凸起,那是输入信号直接通过两个200欧的电阻传过来的,在电路上稍作改进就可以避免,它与我们下面要讨论的问题无关,就不去管它了。



1MHz。这个波形就明显与双管电路不同了。双管电路在这个频率下大概有40ns的延时,而这个单管电路的延时达80ns,且有振铃现象。究其原因,是在二极管导通前运放完全处于开环状态,其输出接近负电源电压,所以其内部的某些晶体管一定是处于深度饱和或深度截止状态。当输入过零后,首先要将那些处于“深睡眠”状态的晶体管“唤醒”,然后才是按照压摆率将输出电压抬高到使二极管导通。


在频率较低时,输入信号的上升速率不高,所以这些过程的影响显示不出来(上面100k的情况就是如此),而频率高了以后,输入端的信号速率大了,那样“唤醒”晶体管的激励电压或电流将加大,就导致了振铃现象的发生。



5MHz。这个频率下已经基本没有整流作用了。



综合以上几个实验,大致可以得出以下结论:

一、在频率很低时,二极管的非线性在运放深度负反馈的作用下被消除,无论哪种电路都可以得到很好的整流效果。


二、若要实现较高频率的精密整流,单管电路是不行的。


三、即使采用双管电路,运放的压摆率、带宽等指标将严重影响频率较高时的整流精度。本实验在特定的条件下得到一个经验关系:若要求输出的平坦度为3分贝,则电路的闭环带宽(不是运放的GBW)至少大于最高信号频率的三倍。由于电路的闭环带宽总是小于等于运放的GBW,所以高频信号的精密整流需要很高GBW的运放。


这还是输出的平坦度为3分贝时的要求,如果在输入信号频带内要求有更高的输出平坦度,那么对运放的频响将有更高的要求。


上述结果仅仅是在本实验这个特定条件下得到的,而且还没有考虑运放的压摆率,而压摆率显然在这里是十分重要的因素。所以这个关系在其他条件下是否适用,笔者不敢妄下判断。如何将压摆率考虑进去,也是下一步要讨论的问题。


不过无论如何,在精密整流电路中,运放的带宽应该远远大于信号最高频率这一点是无疑的。



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