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干货 | 一个精密整流的实验

近来做了一个周详整流电路的实验,获得一些粗浅的结论。斟酌到周详整流电路是一个常见的电路,此实验结果能够给大年夜家供给一些参考信息,故此发帖。

实验电路如下。此中运放为AD8048,主要参数为:大年夜旌旗灯号带宽160MHz,压摆率1000V/us。二极管是SD101,肖特基二极管,反向规复光阴1ns。所有电阻值参照AD8048的数据手册确定。

实验第一步:在上述电路中断开D2,短路D1,检测运放本身的大年夜旌旗灯号频响。输入旌旗灯号峰值维持在1V阁下,频率从1MHz变更到100MHz,用示波器丈量输入输出幅度,并谋略电压增益。结果如下:

在1M到100M频率范围内,波形均无可察看到的显明掉真。

增益变更如下:1M-1.02,10M-1.02,35M-1.06,50M-1.06,70M-1.04,100M-0.79.

可见此运放的大年夜旌旗灯号闭环3分贝截止频率大年夜约在100MHz多一点。这个结果基础相符AD8048手册给出的大年夜旌旗灯号频响曲线。

实验第二步,加入两个二极管SD101A。输入旌旗灯号幅度依旧维持在1V峰值阁下,同时丈量输入与输出。在察看输出波形后,还使用示波器的丈量功能,丈量了输入旌旗灯号的有效值与输出旌旗灯号的周期匀称值,并谋略它们的比值。结果如下(数据依次是频率、输出匀称值mV、输入有效值mV、以及它们的比值:输出匀称值/输入有效值):

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

可见,在低频时该电路可以很好地实现周详整流,然则跟着频率的升高,整流精度逐步下降。若以100kHz的输出为基准,则大年夜概在30MHz时输出已经下降了3dB。

运放AD8048的大年夜旌旗灯号单位增益带宽是160MHz,此电路的噪声增益为2,以是闭环带宽约为80MHz(前面已经先容,实际的实验结果是略大年夜于100MHz)。整流输出匀称值下降3分贝的频率大年夜约是30MHz,不到被测验电路的闭环带宽的三分之一。换言之,若我们要做一个平坦度在3dB以内的周详整流电路,电路的闭环带宽至少应该是旌旗灯号最高频率的三倍以上。

下面是测验波形。黄色波形是输入端vi的波形,蓝色波形是输出端vo的波形。

在频率很低时,输出波形是一个靠近完备的半波整流波形(馒头波)。然则跟着频率的升高,输出波形发生畸变。首先是在馒头波开始的地方,也便是二极管开始导通的时候,输出波形有一个缺口。

跟着频率的升高,旌旗灯号周期越来越小,这个缺口占的比例就越来越大年夜。

察看此时运放的输出端(留意不是vo)波形,可以发明在输出过零的前后,运放的输出波形有严重的畸变。下面便是频率为1MHz与10MHz时运放输出真个波形。

可以将前面的波形与推挽输出电路中的交越掉真对照。下面给出一个直不雅的解释:

在输出电压较高时,二极管完全导通,此时它有一个基础固定的管压降,运放的输出始终比输出电压高一个二极管的管压降。此时运下班作在线性放大年夜状态,以是输出波形是个很好的馒头波。

在输出旌旗灯号过零的时候,两个二极管中的一个开始从导经由过程渡到截止,而另一个从截止过渡到导通。在这个过渡时代,二极管的阻抗极大年夜,可以近似觉得开路,是以此时的运放并没有事情在线性状态,而是靠近开环。在输入电压的感化下,运放将以可能的最大年夜速度改变输出电压使得二极管进入导通状态。然则运放的压摆率是有限的,它弗成能在瞬间将输出电压提升到使得二极管导通。别的二极管从导通到截止或从截止到导通都有过渡光阴。以是输出电压就呈现了一个缺口。从上面运放输出真个波形可以看出,运放在输出过零的时候是若何“努力”地妄图改变输出电压的。

有些材料包括教科书都先容说,因为运放的深度负反馈,二极管的非线性被减弱到原本的1/AF。然则实际上在输出旌旗灯号过零时候相近,因为运放靠近开环,所有关于运放负反馈的公式都是掉效的,根本不能用负反馈道理来阐发二极管的非线性。

假如旌旗灯号频率进一步提升,那么不仅是压摆率的问题,运放本身的频响也在劣化,以是输出波形就变得相称糟糕。下图是旌旗灯号频率50MHz时的输出波形。

前面的实验基于运放AD8048和二极管SD101。为了对照,我做了替换器件的实验,结果如下:

一、将运放换成AD8047。此运放的大年夜旌旗灯号带宽(130MHz)略低于AD8048(160MHz),压摆率也低一些(750V/us,8048为1000V/us),开环增益1300阁下,也比8048的2400阁下低一些。实验结果(频率、输出匀称值、输入有效值、两者的比值)如下:

1M,320,711,0.45

10M,280,722,0.39

20M,210,712,0.29

30M,152,715,0.21

可见它的3dB衰减大年夜约在20MHz不到一点的地方。此电路的闭环带宽约为65MHz,以是输出匀称值下降3分贝的频率也是小于电路闭环带宽的三分之一。

二、用2AP9,1N4148等调换SD101,然则着末获得的结果都差不多,没有实质性的区别,以是这里就不再赘述。

别的还有一个电路,便是将电路中的D2开路,如下图所示。

它与采纳两个二极管的电路(以下简称双管电路)的紧张分手是:双管电路中,运放仅仅在旌旗灯号过零相近处于近似开环的状态,而这个电路(以下简称单管电路)中的运放在半个旌旗灯号周期内都处于完全开环状态。以是它的非线性肯定比双管电路的严重得多。

下面是这个电路的输出波形:

100kHz,与双管电路差不多,也是在二极管导通时有一个缺口。原本应该平的地方有些突出,那是输入旌旗灯号直接经由过程两个200欧的电阻传过来的,在电路上稍作改进就可以避免,它与我们下面要评论争论的问题无关,就不去管它了。

1MHz。这个波形就显明与双管电路不一样了。双管电路在这个频率下大年夜概有40ns的延时,而这个单管电路的延时达80ns,且有振铃征象。究其缘故原由,是在二极管导通前运放完全处于开环状态,其输出靠近负电源电压,以是其内部的某些晶体管必然是处于深度饱和或深度截止状态。当输入过零后,首先要将那些处于“深就寝”状态的晶体管“唤醒”,然后才是按照压摆率将输出电压抬高到使二极管导通。

在频率较低时,输入旌旗灯号的上升速度不高,以是这些历程的影响显示不出来(上面100k的环境便是如斯),而频率高了今后,输入真个旌旗灯号速度大年夜了,那样“唤醒”晶体管的勉励电压或电流将加大年夜,就导致了振铃征象的发生。

5MHz。这个频率下已经基础没有整流感化了。

综合以上几个实验,大年夜致可以得出以下结论:

一、在频率很低时,二极管的非线性在运放深度负反馈的感化下被打消,无论哪种电路都可以获得很好的整流效果。

二、若要实现较高频率的周详整流,单管电路是不可的。

三、纵然采纳双管电路,运放的压摆率、带宽等指标将严重影响频率较高时的整流精度。本实验在特定的前提下获得一个履历关系:若要求输出的平坦度为3分贝,则电路的闭环带宽(不是运放的GBW)至少大年夜于最高旌旗灯号频率的三倍。因为电路的闭环带宽老是小于即是运放的GBW,以是高频旌旗灯号的周详整流必要很高GBW的运放。

这照样输出的平坦度为3分贝时的要求,假如在输入旌旗灯号频带内要求有更高的输出平坦度,那么对运放的频响将有更高的要求。

上述结果仅仅是在本实验这个特定前提下获得的,而且还没有斟酌运放的压摆率,而压摆率显然在这里是十分紧张的缘故原由。以是这个关系在其他前提下是否适用,笔者不敢妄下判断。若何将压摆率斟酌进去,也是下一步要评论争论的问题。

不过无论若何,在周详整流电路中,运放的带宽应该远弘远年夜于旌旗灯号最高频率这一点是无疑的。

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