本文是詳述關(guān)于精密整流電路的實(shí)驗(yàn)的一些粗淺結(jié)論，考慮到精密整流電路是一個(gè)常見(jiàn)的電路，想了解更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文中有圖文詳解。

 

實(shí)驗(yàn)電路如下。其中運(yùn)放為AD8048，主要參數(shù)為：大信號(hào)帶寬160MHz，壓擺率1000V/us。二極管是SD101，肖特基二極管，反向恢復(fù)時(shí)間1ns。所有電阻值參照AD8048的數(shù)據(jù)手冊(cè)確定。

 

 

 

實(shí)驗(yàn)第一步：在上述電路中斷開(kāi)D2，短路D1，檢測(cè)運(yùn)放本身的大信號(hào)頻響。輸入信號(hào)峰值保持在1V左右，頻率從1MHz變化到100MHz，用示波器測(cè)量輸入輸出幅度，并計(jì)算電壓增益。結(jié)果如下：

 

在1M到100M頻率范圍內(nèi)，波形均無(wú)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(jiàn)此運(yùn)放的大信號(hào)閉環(huán)3分貝截止頻率大約在100MHz多一點(diǎn)。這個(gè)結(jié)果基本符合AD8048手冊(cè)給出的大信號(hào)頻響曲線。

 

實(shí)驗(yàn)第二步，加入兩個(gè)二極管SD101A。輸入信號(hào)幅度仍然保持在1V峰值左右，同時(shí)測(cè)量輸入與輸出。在觀察輸出波形后，還利用示波器的測(cè)量功能，測(cè)量了輸入信號(hào)的有效值與輸出信號(hào)的周期平均值，并計(jì)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(jiàn)，在低頻時(shí)該電路可以很好地實(shí)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(zhǔn)，則大概在30MHz時(shí)輸出已經(jīng)下降了3dB。

 

運(yùn)放AD8048的大信號(hào)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)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(cè)試電路的閉環(huán)帶寬的三分之一。換言之，若我們要做一個(gè)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(yīng)該是信號(hào)最高頻率的三倍以上。

 

下面是測(cè)試波形。黃色波形是輸入端vi的波形，藍(lán)色波形是輸出端vo的波形。

 

在頻率很低時(shí)，輸出波形是一個(gè)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(kāi)始的地方，也就是二極管開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)刻，輸出波形有一個(gè)缺口。

 

 

 

隨著頻率的升高，信號(hào)周期越來(lái)越小，這個(gè)缺口占的比例就越來(lái)越大。

 

 

 

觀察此時(shí)運(yùn)放的輸出端（注意不是vo）波形，可以發(fā)現(xiàn)在輸出過(guò)零的前后，運(yùn)放的輸出波形有嚴(yán)重的畸變。下面就是頻率為1MHz與10MHz時(shí)運(yùn)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(gè)直觀的解釋：

在輸出電壓較高時(shí)，二極管完全導(dǎo)通，此時(shí)它有一個(gè)基本固定的管壓降，運(yùn)放的輸出始終比輸出電壓高一個(gè)二極管的管壓降。此時(shí)運(yùn)放工作在線性放大狀態(tài)，所以輸出波形是個(gè)很好的饅頭波。

 

在輸出信號(hào)過(guò)零的時(shí)刻，兩個(gè)二極管中的一個(gè)開(kāi)始從導(dǎo)通過(guò)渡到截止，而另一個(gè)從截止過(guò)渡到導(dǎo)通。在這個(gè)過(guò)渡期間，二極管的阻抗極大，可以近似認(rèn)為開(kāi)路，因此此時(shí)的運(yùn)放并沒(méi)有工作在線性狀態(tài)，而是接近開(kāi)環(huán)。在輸入電壓的作用下，運(yùn)放將以可能的最大速率改變輸出電壓使得二極管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。但是運(yùn)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(dǎo)通。另外二極管從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通都有過(guò)渡時(shí)間。所以輸出電壓就出現(xiàn)了一個(gè)缺口。從上面運(yùn)放輸出端的波形可以看出，運(yùn)放在輸出過(guò)零的時(shí)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(shū)都介紹說(shuō)，由于運(yùn)放的深度負(fù)反饋，二極管的非線性被減弱到原來(lái)的1/AF。但是實(shí)際上在輸出信號(hào)過(guò)零時(shí)刻附近，由于運(yùn)放接近開(kāi)環(huán)，所有關(guān)于運(yùn)放負(fù)反饋的公式都是失效的，根本不能用負(fù)反饋原理來(lái)分析二極管的非線性。

 

如果信號(hào)頻率進(jìn)一步提高，那么不僅是壓擺率的問(wèn)題，運(yùn)放本身的頻響也在劣化，所以輸出波形就變得相當(dāng)糟糕。下圖是信號(hào)頻率50MHz時(shí)的輸出波形。

 

 

前面的實(shí)驗(yàn)基于運(yùn)放AD8048和二極管SD101。為了比較，我做了更換器件的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下：

一、將運(yùn)放換成AD8047。此運(yùn)放的大信號(hào)帶寬（130MHz）略低于AD8048（160MHz），壓擺率也低一些（750V/us，8048為1000V/us），開(kāi)環(huán)增益1300左右，也比8048的2400左右低一些。實(shí)驗(yàn)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(jiàn)它的3dB衰減大約在20MHz不到一點(diǎn)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(méi)有實(shí)質(zhì)性的差別，所以這里就不再贅述。

 

另外還有一個(gè)電路，就是將電路中的D2開(kāi)路，如下圖所示。

 

 

 

它與采用兩個(gè)二極管的電路（以下簡(jiǎn)稱雙管電路）的重要區(qū)別是：雙管電路中，運(yùn)放僅僅在信號(hào)過(guò)零附近處于近似開(kāi)環(huán)的狀態(tài)，而這個(gè)電路（以下簡(jiǎn)稱單管電路）中的運(yùn)放在半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)都處于完全開(kāi)環(huán)狀態(tài)。所以它的非線性肯定比雙管電路的嚴(yán)重得多。

 

下面是這個(gè)電路的輸出波形：

100kHz，與雙管電路差不多，也是在二極管導(dǎo)通時(shí)有一個(gè)缺口。原來(lái)應(yīng)該平的地方有些凸起，那是輸入信號(hào)直接通過(guò)兩個(gè)200歐的電阻傳過(guò)來(lái)的，在電路上稍作改進(jìn)就可以避免，它與我們下面要討論的問(wèn)題無(wú)關(guān)，就不去管它了。

 

 

 

1MHz。這個(gè)波形就明顯與雙管電路不同了。雙管電路在這個(gè)頻率下大概有40ns的延時(shí)，而這個(gè)單管電路的延時(shí)達(dá)80ns，且有振鈴現(xiàn)象。究其原因，是在二極管導(dǎo)通前運(yùn)放完全處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其輸出接近負(fù)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?fàn)顟B(tài)。當(dāng)輸入過(guò)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(dǎo)通。

 

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

 

 

 

5MHz。這個(gè)頻率下已經(jīng)基本沒(méi)有整流作用了。

 

 

綜合以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，大致可以得出以下結(jié)論：

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

 

二、若要實(shí)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(yùn)放的壓擺率、帶寬等指標(biāo)將嚴(yán)重影響頻率較高時(shí)的整流精度。本實(shí)驗(yàn)在特定的條件下得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(yùn)放的GBW）至少大于最高信號(hào)頻率的三倍。由于電路的閉環(huán)帶寬總是小于等于運(yùn)放的GBW，所以高頻信號(hào)的精密整流需要很高GBW的運(yùn)放。

 

這還是輸出的平坦度為3分貝時(shí)的要求，如果在輸入信號(hào)頻帶內(nèi)要求有更高的輸出平坦度，那么對(duì)運(yùn)放的頻響將有更高的要求。

 

上述結(jié)果僅僅是在本實(shí)驗(yàn)這個(gè)特定條件下得到的，而且還沒(méi)有考慮運(yùn)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(gè)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(jìn)去，也是下一步要討論的問(wèn)題。

 

不過(guò)無(wú)論如何，在精密整流電路中，運(yùn)放的帶寬應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)最高頻率這一點(diǎn)是無(wú)疑的。