最近做了一個精密整流電路的實驗,得到一些粗淺的結論。考慮到精密整流電路是一個常見的電路,此實驗結果能夠給大家提供一些參考信息,故此發帖。

 

實驗電路如下。其中運放為 AD8048,主要參數為:大信號帶寬 160MHz,壓擺率 1000V/us。二極管是 SD101,肖特基二極管,反向恢復時間 1ns。所有電阻值參照 AD8048 的數據手冊確定。

 

 

實驗第一步:在上述電路中斷開 D2,短路 D1,檢測運放本身的大信號頻響。輸入信號峰值保持在 1V 左右,頻率從 1MHz 變化到 100MHz,用示波器測量輸入輸出幅度,并計算電壓增益。結果如下:

 

在 1M 到 100M 頻率范圍內,波形均無可觀察到的明顯失真。

 

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

 

可見此運放的大信號閉環 3 分貝截止頻率大約在 100MHz 多一點。這個結果基本符合 AD8048 手冊給出的大信號頻響曲線。

 

實驗第二步,加入兩個二極管 SD101A。輸入信號幅度仍然保持在 1V 峰值左右,同時測量輸入與輸出。在觀察輸出波形后,還利用示波器的測量功能,測量了輸入信號的有效值與輸出信號的周期平均值,并計算它們的比值。結果如下(數據依次是頻率、輸出平均值 mV、輸入有效值 mV、以及它們的比值:輸出平均值 / 輸入有效值):

 

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

 

可見,在低頻時該電路可以很好地實現精密整流,但是隨著頻率的升高,整流精度逐漸下降。若以 100kHz 的輸出為基準,則大概在 30MHz 時輸出已經下降了 3dB。

 

運放 AD8048 的大信號單位增益帶寬是 160MHz,此電路的噪聲增益為 2,所以閉環帶寬約為 80MHz(前面已經介紹,實際的實驗結果是略大于 100MHz)。整流輸出平均值下降 3 分貝的頻率大約是 30MHz,不到被測試電路的閉環帶寬的三分之一。換言之,若我們要做一個平坦度在 3dB 以內的精密整流電路,電路的閉環帶寬至少應該是信號最高頻率的三倍以上。

 

下面是測試波形。黃色波形是輸入端 vi 的波形,藍色波形是輸出端 vo 的波形。

 

在頻率很低時,輸出波形是一個接近完整的半波整流波形(饅頭波)。但是隨著頻率的升高,輸出波形發生畸變。首先是在饅頭波開始的地方,也就是二極管開始導通的時刻,輸出波形有一個缺口。

 

 

隨著頻率的升高,信號周期越來越小,這個缺口占的比例就越來越大。

 

 

觀察此時運放的輸出端(注意不是 vo)波形,可以發現在輸出過零的前后,運放的輸出波形有嚴重的畸變。下面就是頻率為 1MHz 與 10MHz 時運放輸出端的波形。

 

 

 

可以將前面的波形與推挽輸出電路中的交越失真比較。下面給出一個直觀的解釋:

在輸出電壓較高時,二極管完全導通,此時它有一個基本固定的管壓降,運放的輸出始終比輸出電壓高一個二極管的管壓降。此時運放工作在線性放大狀態,所以輸出波形是個很好的饅頭波。

 

在輸出信號過零的時刻,兩個二極管中的一個開始從導通過渡到截止,而另一個從截止過渡到導通。在這個過渡期間,二極管的阻抗極大,可以近似認為開路,因此此時的運放并沒有工作在線性狀態,而是接近開環。在輸入電壓的作用下,運放將以可能的最大速率改變輸出電壓使得二極管進入導通狀態。但是運放的壓擺率是有限的,它不可能在瞬間將輸出電壓提升到使得二極管導通。另外二極管從導通到截止或從截止到導通都有過渡時間。所以輸出電壓就出現了一個缺口。從上面運放輸出端的波形可以看出,運放在輸出過零的時刻是如何“努力”地企圖改變輸出電壓的。

 

有些材料包括教科書都介紹說,由于運放的深度負反饋,二極管的非線性被減弱到原來的 1/AF。但是實際上在輸出信號過零時刻附近,由于運放接近開環,所有關于運放負反饋的公式都是失效的,根本不能用負反饋原理來分析二極管的非線性。

 

如果信號頻率進一步提高,那么不僅是壓擺率的問題,運放本身的頻響也在劣化,所以輸出波形就變得相當糟糕。下圖是信號頻率 50MHz 時的輸出波形。

 

前面的實驗基于運放 AD8048 和二極管 SD101。為了比較,我做了更換器件的實驗,結果如下:

一、將運放換成 AD8047。此運放的大信號帶寬(130MHz)略低于 AD8048(160MHz),壓擺率也低一些(750V/us,8048 為 1000V/us),開環增益 1300 左右,也比 8048 的 2400 左右低一些。實驗結果(頻率、輸出平均值、輸入有效值、兩者的比值)如下:

 

1M,320,711,0.45

10M,280,722,0.39

20M,210,712,0.29

30M,152,715,0.21

 

可見它的 3dB 衰減大約在 20MHz 不到一點的地方。此電路的閉環帶寬約為 65MHz,所以輸出平均值下降 3 分貝的頻率也是小于電路閉環帶寬的三分之一。

 

二、用 2AP9,1N4148 等替換 SD101,但是最后得到的結果都差不多,沒有實質性的差別,所以這里就不再贅述。

 

另外還有一個電路,就是將電路中的 D2 開路,如下圖所示。

 

 

它與采用兩個二極管的電路(以下簡稱雙管電路)的重要區別是:雙管電路中,運放僅僅在信號過零附近處于近似開環的狀態,而這個電路(以下簡稱單管電路)中的運放在半個信號周期內都處于完全開環狀態。所以它的非線性肯定比雙管電路的嚴重得多。

 

下面是這個電路的輸出波形:

100kHz,與雙管電路差不多,也是在二極管導通時有一個缺口。原來應該平的地方有些凸起,那是輸入信號直接通過兩個 200 歐的電阻傳過來的,在電路上稍作改進就可以避免,它與我們下面要討論的問題無關,就不去管它了。

 

 

1MHz。這個波形就明顯與雙管電路不同了。雙管電路在這個頻率下大概有 40ns 的延時,而這個單管電路的延時達 80ns,且有振鈴現象。究其原因,是在二極管導通前運放完全處于開環狀態,其輸出接近負電源電壓,所以其內部的某些晶體管一定是處于深度飽和或深度截止狀態。當輸入過零后,首先要將那些處于“深睡眠”狀態的晶體管“喚醒”,然后才是按照壓擺率將輸出電壓抬高到使二極管導通。

 

在頻率較低時,輸入信號的上升速率不高,所以這些過程的影響顯示不出來(上面 100k 的情況就是如此),而頻率高了以后,輸入端的信號速率大了,那樣“喚醒”晶體管的激勵電壓或電流將加大,就導致了振鈴現象的發生。

 

 

5MHz。這個頻率下已經基本沒有整流作用了。

 

 

綜合以上幾個實驗,大致可以得出以下結論:

一、在頻率很低時,二極管的非線性在運放深度負反饋的作用下被消除,無論哪種電路都可以得到很好的整流效果。

 

二、若要實現較高頻率的精密整流,單管電路是不行的。

 

三、即使采用雙管電路,運放的壓擺率、帶寬等指標將嚴重影響頻率較高時的整流精度。本實驗在特定的條件下得到一個經驗關系:若要求輸出的平坦度為 3 分貝,則電路的閉環帶寬(不是運放的 GBW)至少大于最高信號頻率的三倍。由于電路的閉環帶寬總是小于等于運放的 GBW,所以高頻信號的精密整流需要很高 GBW 的運放。

 

這還是輸出的平坦度為 3 分貝時的要求,如果在輸入信號頻帶內要求有更高的輸出平坦度,那么對運放的頻響將有更高的要求。

 

上述結果僅僅是在本實驗這個特定條件下得到的,而且還沒有考慮運放的壓擺率,而壓擺率顯然在這里是十分重要的因素。所以這個關系在其他條件下是否適用,筆者不敢妄下判斷。如何將壓擺率考慮進去,也是下一步要討論的問題。

 

不過無論如何,在精密整流電路中,運放的帶寬應該遠遠大于信號最高頻率這一點是無疑的。