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精密整流電路實驗,你看懂了嗎?

和平精英龙骨 www.1985670.com 發布時間:2019-06-12 責任編輯:lina

【導讀】本文是詳述關于精密整流電路的實驗的一些粗淺結論,考慮到精密整流電路是一個常見的電路,想了解更詳細的實驗結果,文中有圖文詳解。
 
本文是詳述關于精密整流電路的實驗的一些粗淺結論,考慮到精密整流電路是一個常見的電路,想了解更詳細的實驗結果,文中有圖文詳解。
 
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。
 
 精密整流電路實驗,你看懂了嗎?
 
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?;謊災?,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?;粕ㄐ問鞘淙攵藇i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。
 
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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。
 
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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。
 
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精密整流電路實驗,你看懂了嗎?
 
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。
 
精密整流電路實驗,你看懂了嗎?
 
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。
 
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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。
 
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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。
 
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5MHz。這個頻率下已經基本沒有整流作用了。
 
精密整流電路實驗,你看懂了嗎?
 
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。
 
 
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