本文是詳述關(guān)于精密整流電路的實驗的一些粗淺結(jié)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(jié)果，文中有圖文詳解。

 

實驗電路如下。其中運放為AD8048，主要參數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)果如下：

 

在1M到100M頻率范圍內(nèi)，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(huán)3分貝截止頻率大約在100MHz多一點。這個結(jié)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(jié)果如下（數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jīng)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(huán)帶寬約為80MHz（前面已經(jīng)介紹，實際的實驗結(jié)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(huán)帶寬的三分之一。換言之，若我們要做一個平坦度在3dB以內(nèi)的精密整流電路，電路的閉環(huán)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(tài)，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(tài)，而是接近開環(huán)。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(tài)。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(xiàn)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(huán)，所有關(guān)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(jié)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(huán)增益1300左右，也比8048的2400左右低一些。實驗結(jié)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(huán)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(huán)帶寬的三分之一。

 

二、用2AP9，1N4148等替換SD101，但是最后得到的結(jié)果都差不多，沒有實質(zhì)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(qū)別是：雙管電路中，運放僅僅在信號過零附近處于近似開環(huán)的狀態(tài)，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(nèi)都處于完全開環(huán)狀態(tài)。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(guān)，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(xiàn)象。究其原因，是在二極管導通前運放完全處于開環(huán)狀態(tài)，其輸出接近負電源電壓，所以其內(nèi)部的某些晶體管一定是處于深度飽和或深度截止狀態(tài)。當輸入過零后，首先要將那些處于“深睡眠”狀態(tài)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(xiàn)象的發(fā)生。

 

 

 

5MHz。這個頻率下已經(jīng)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(jié)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(xiàn)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(jīng)驗關(guān)系：若要求輸出的平坦度為3分貝，則電路的閉環(huán)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(huán)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(nèi)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(jié)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(guān)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。