一文看懂精密整流电路实验

2019-06-11 09:07:07 来源: 电子工程世界
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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?#35789;?#38388;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?#34892;?#20540;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?#26469;?#26159;频率、输出平均值mV、输入?#34892;?#20540;mV、以及它们的比值:输出平均值/输入?#34892;?#20540;):

 

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?#25512;凳备?#30005;路可以很好地实现精密整流,但是随着频?#23454;?#21319;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?#23454;?#23454;验结果是?#28304;?#20110;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?#23454;?#19977;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?#23454;?#21319;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?#23454;?#21319;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?#29616;?#30340;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?#25925;?#24471;二极管进入导通状态。但是运放的压摆率是有限?#27169;?#23427;不可能在?#24067;?#23558;输出电压提升到使得二极管导通。另外二极管从导通到截?#22815;?#20174;截止到导通?#21152;?#36807;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?#27169;?#26681;本不能用负反馈原理来分析二极管的非线性。

 

如果信号频?#24335;?#19968;步提高,那么不仅是压摆?#23454;?#38382;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。

 

 
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