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                精密整流「電路實驗,你看♀懂了嗎?

                發布時間:2019-06-12 責任編輯:lina

                【導讀】本文是♀詳述關於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。
                 
                本文是詳述關於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ω 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,並ω計算電壓增益。結果如下:
                 
                在1M到100M頻率範圍內,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。在觀察輸出波形後,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,並計算它們的比值。結果如下(數據依次是頻率、輸出平☆均值mV、輸入〇有效值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ㄨ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於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。
                 
                 精密整流電路實∞驗,你看■懂了嗎?
                 
                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。
                 
                 精密整流電路實驗,你看懂了嗎?
                 
                觀察此時運放的輸出端(註意不是vo)波形,可以發現在輸出過零的前後,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。
                 
                 精密整流電路實驗,你看懂了嗎?
                 
                 
                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▽並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△於運放的深度負反饋,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,由於運放接近開環,所有關於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⊙麽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?
                 
                前面的實驗基於運放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)略低於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分貝的頻率也是小於電路閉環帶寬的三分之一。
                 
                二、用2AP9,1N4148等替換SD101,但是最後得到的結果都差不多,沒有實質性的差別,所以這裏就不再贅述。
                 
                另外還有一個電≡路,就是將電路中的D2開路,如下圖所示。
                 
                 精密整流電路實驗,你看懂了嗎?
                 
                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於近似開環的狀態,而這個電路(以下簡稱單管電路)中的運放在半個信號●周期內都處於完全開環狀態。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ξ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ζ 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於開環狀態,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於深度飽和或深度截止狀態。當輸入過零『後,首先要將那些處於“深睡眠”狀態的晶體管“喚醒”,然後才是按照壓擺率將輸出電壓擡高到▃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▓後,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Ψ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)至少大於最高信號頻率的三倍。由於→電路的閉環帶寬總是小於等於運放的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,那麽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,而壓擺率顯然在這裏是十◣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於信號最高頻率這一點是無ζ疑的。
                 
                 
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