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[原创] 一个精密整流的实验

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发表于 2019-6-6 09:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

最近做了一个精密整流电路的实验,得到一些粗浅的结论。考虑到精密整流电路是一个常见的电路,此实验结果能够给大家提供一些参考信息,故此发帖。

实验电路如下。其中运放为AD8048,主要参数为:大信号带宽160MHz,压摆率1000V/us。二极管是SD101,肖特基二极管,反向恢复时间1ns。所有电阻值参照AD8048的数据手册确定。

Capture1.JPG

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来源:EEWorld 模拟电子板块,转载请附上链接


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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 gmchen 于 2019-6-6 09:28 编辑

实验第一步:在上述电路中断开D2,短路D1,检测运放本身的大信号频响。输入信号峰值保持在1V左右,频率从1MHz变化到100MHz,用示波器测量输入输出幅度,并计算电压增益。结果如下:

在1M到100M频率范围内,波形均无可观察到的明显失真。

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

可见此运放的大信号闭环3分贝截止频率大约在100MHz多一点。这个结果基本符合AD8048手册给出的大信号频响曲线。

 



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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 gmchen 于 2019-6-6 09:29 编辑

实验第二步,加入两个二极管SD101A。输入信号幅度仍然保持在1V峰值左右,同时测量输入与输出。在观察输出波形后,还利用示波器的测量功能,测量了输入信号的有效值与输出信号的周期平均值,并计算它们的比值。结果如下(数据依次是频率、输出平均值mV、输入有效值mV、以及它们的比值:输出平均值/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精密整流,但是随着频率的升高,整流精度逐渐下降。若以100kHz的输出为基准,则大概在30MHz时输出已经下降了3dB。

运放AD8048的大信号单位增益带宽是160MHz,此电路的噪声增益为2,所以闭环带宽约为80MHz(前面已经介绍,实际的实验结果是略大于100MHz)。整流输出平均值下降3分贝的频率大约是30MHz,不到被测试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以内的精密整流电路,电路的闭环带宽至少应该是信号最高频率的三倍以上。

 

点评

GBW/AO(闭环增益)=闭环带宽    这里的噪声增益和闭环增益是一样的吗    详情 回复 发表于 2019-6-18 16:02
若以100kHz的输出为基准-------这个怎么理解   楼主    详情 回复 发表于 2019-6-18 16:01


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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:27 | 显示全部楼层

下面是测试波形。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,输出波形是一个接近完整的半波整流波形(馒头波)。但是随着频率的升高,输出波形发生畸变。首先是在馒头波开始的地方,也就是二极管开始导通的时刻,输出波形有一个缺口。

双管 输出负载 1M.jpg

随着频率的升高,信号周期越来越小,这个缺口占的比例就越来越大。

双管 输出负载 10M.jpg



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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:31 | 显示全部楼层

观察此时运放的输出端(注意不是vo)波形,可以发现在输出过零的前后,运放的输出波形有严重的畸变。下面就是频率为1MHz10MHz时运放输出端的波形。

双管 运放输出端波形 1M.jpg

双管 运放输出端波形 10M.jpg



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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:31 | 显示全部楼层

可以将前面的波形与推挽输出电路中的交越失真比较。下面给出一个直观的解释:

在输出电压较高时,二极管完全导通,此时它有一个基本固定的管压降,运放的输出始终比输出电压高一个二极管的管压降。此时运放工作在线性放大状态,所以输出波形是个很好的馒头波。

在输出信号过零的时刻,两个二极管中的一个开始从导通过渡到截止,而另一个从截止过渡到导通。在这个过渡期间,二极管的阻抗极大,可以近似认为开路,因此此时的运放并没有工作在线性状态,而是接近开环。在输入电压的作用下,运放将以可能的最大速率改变输出电压使得二极管进入导通状态。但是运放的压摆率是有限的,它不可能在瞬间将输出电压提升到使得二极管导通。另外二极管从导通到截止或从截止到导通都有过渡时间。所以输出电压就出现了一个缺口。从上面运放输出端的波形可以看出,运放在输出过零的时刻是如何“努力”地企图改变输出电压的。

有些材料包括教科书都介绍说,由于运放的深度负反馈,二极管的非线性被减弱到原来的1/AF。但是实际上在输出信号过零时刻附近,由于运放接近开环,所有关于运放负反馈的公式都是失效的,根本不能用负反馈原理来分析二极管的非线性。

 

点评

由于运放的深度负反馈,二极管的非线性被减弱到原来的1/AF。-----这句话的意思是 运放的负反馈改善了二极管的非线性?  详情 回复 发表于 2019-6-18 09:03


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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:33 | 显示全部楼层

如果信号频率进一步提高,那么不仅是压摆率的问题,运放本身的频响也在劣化,所以输出波形就变得相当糟糕。下图是信号频率50MHz时的输出波形。

双管 输出负载 50M.jpg



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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:34 | 显示全部楼层

前面的实验基于运放AD8048和二极管SD101。为了比较,我做了更换器件的实验,结果如下:

一、将运放换成AD8047。此运放的大信号带宽(130MHz)略低于AD8048(160MHz),压摆率也低一些(750V/us,8048为1000V/us),开环增益1300左右,也比8048的2400左右低一些。实验结果(频率、输出平均值、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衰减大约在20MHz不到一点的地方。此电路的闭环带宽约为65MHz,所以输出平均值下降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等替换SD101,但是最后得到的结果都差不多,没有实质性的差别,所以这里就不再赘述。

 

点评

3dB衰减大约在20MHz不到一点的地方------3DB=10lgX?如何知道3dB衰减是在20M附近啊》?  详情 回复 发表于 2019-6-18 09:11


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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:35 | 显示全部楼层

另外还有一个电路,就是将电路中的D2开路,如下图所示。

Capture2.JPG

它与采用两个二极管的电路(以下简称双管电路)的重要区别是:双管电路中,运放仅仅在信号过零附近处于近似开环的状态,而这个电路(以下简称单管电路)中的运放在半个信号周期内都处于完全开环状态。所以它的非线性肯定比双管电路的严重得多。



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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:38 | 显示全部楼层

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。原来应该平的地方有些凸起,那是输入信号直接通过两个200欧的电阻传过来的,在电路上稍作改进就可以避免,它与我们下面要讨论的问题无关,就不去管它了。

单管 8048 100k.jpg

1MHz。这个波形就明显与双管电路不同了。双管电路在这个频率下大概有40ns的延时,而这个单管电路的延时达80ns,且有振铃现象。究其原因,是在二极管导通前运放完全处于开环状态,其输出接近负电源电压,所以其内部的某些晶体管一定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睡眠状态的晶体管唤醒,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,输入信号的上升速率不高,所以这些过程的影响显示不出来(上面100k的情况就是如此),而频率高了以后,输入端的信号速率大了,那样唤醒晶体管的激励电压或电流将加大,就导致了振铃现象的发生。

单管 8048 1M.jpg

5MHz。这个频率下已经基本没有整流作用了。

单管 8048 5M.jpg


 

 

 

点评

5MHz。这个频率下已经基本没有整流作用了。和这句话----- 综合以上几个实验,大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作用下被消除,无论哪种电路都可以得到很好的整流效  详情 回复 发表于 2019-6-18 09:14


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五彩晶圆(中级)

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 楼主| 发表于 2019-6-6 09:40 | 显示全部楼层

综合以上几个实验,大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作用下被消除,无论哪种电路都可以得到很好的整流效果。

二、若要实现较高频率的精密整流,单管电路是不行的。

三、即使采用双管电路,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。本实验在特定的条件下得到一个经验关系: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)至少大于最高信号频率的三倍。由于电路的闭环带宽总是小于等于运放的GBW,所以高频信号的精密整流需要很高GBW的运放。

这还是输出的平坦度为3分贝时的要求,如果在输入信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条件下得到的,而且还没有考虑运放的压摆率,而压摆率显然在这里是十分重要的因素。所以这个关系在其他条件下是否适用,笔者不敢妄下判断。如何将压摆率考虑进去,也是下一步要讨论的问题。

不过无论如何,在精密整流电路中,运放的带宽应该远远大于信号最高频率这一点是无疑的。

 

点评

楼主好  输出平坦度如何理解    详情 回复 发表于 2019-6-18 08:50


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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-6-6 11:01 | 显示全部楼层

好帖,顶一个。



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版主

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发表于 2019-6-6 11:16 | 显示全部楼层

太长  先码起   学习学习

 

10年射频微波经历    多载波功放    DC到4G  连续波脉冲功放


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五彩晶圆(中级)

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 楼主| 发表于 2019-6-16 19:55 | 显示全部楼层

我校一位资深老教授看了我的实验,觉得有意思,就也做了一个实验,用的是LF442与LF412两种运放,结果与我的类似:

1、在低频下,转换结果与理论值十分接近;

2、如果以输出直流电压跌倒低频时的0.707为带宽,则带宽不到运放带宽的十分之一。LF442为6%,LF412为8%.

点评

这些实验结果都很珍贵,我都copy存档,以便与仿真结果比对,发现仿真的存在问题。 按照我的仿真,调理同样频率的正弦波,对电路带宽的要求,即对运放参数的要求,精密整流比一般放大形式还要高。  详情 回复 发表于 2019-6-16 20:06


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纯净的硅(初级)

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发表于 2019-6-16 20:06 | 显示全部楼层
gmchen 发表于 2019-6-16 19:55 我校一位资深老教授看了我的实验,觉得有意思,就也做了一个实验,用的是LF442与LF412两种运放,结果与我的 ...

这些实验结果都很珍贵,我都copy存档,以便与仿真结果比对,发现仿真的存在问题。

按照我的仿真,调理同样频率的正弦波,对电路带宽的要求,即对运放参数的要求,精密整流比一般放大形式还要高。

点评

我曾做过放大整流后“馒头波”的实验,“馒头波”信号是由输出功率较大的信号发生器经桥式整流产生,施加到LM358构成的跟随器。在远低于该运放单位增益频率时,波形已经相当差,“馒头波&r  详情 回复 发表于 2019-6-16 21:12


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maychang

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发表于 2019-6-16 21:12 | 显示全部楼层
captzs 发表于 2019-6-16 20:06 这些实验结果都很珍贵,我都copy存档,以便与仿真结果比对,发现仿真的存在问题。 按照我的仿真,调理 ...

我曾做过放大整流后“馒头波”的实验,“馒头波”信号是由输出功率较大的信号发生器经桥式整流产生,施加到LM358构成的跟随器。在远低于该运放单位增益频率时,波形已经相当差,“馒头波”的尖角与输入信号相去甚远。

点评

这是很显然的,因为全波整流后的馒头波包含丰富的偶次谐波,而运放的带宽有限。你的实验结果证实这一点。 按照傅里叶分析,若以全波整流后的直流分量为1,则二次谐波分量为2/3,4次谐波分量为2/15,6次谐波分量为  详情 回复 发表于 2019-6-17 08:55
我最近加深对精密整流失真的认识:影响精密整流的关键项是带宽BG=GBW/Ao,而GBW参数是固定的,可选参数就只剩放大倍数,所以先将放大倍数调低为Go,带宽就从GBW/Ao大幅度提高到GBW/Go,然后搭建成一般精密整流,仿真  详情 回复 发表于 2019-6-16 21:37


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纯净的硅(初级)

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发表于 2019-6-16 21:37 | 显示全部楼层
本帖最后由 captzs 于 2019-6-16 21:39 编辑
maychang 发表于 2019-6-16 21:12 我曾做过放大整流后“馒头波”的实验,“馒头波”信号是由输出功率较大的信号发生器 ...

我最近加深对精密整流失真的认识:影响精密整流的关键项是带宽GB=GBW/Ao,而GBW参数是固定的,可选参数就只剩放大倍数,所以先将放大倍数调低为Go,带宽就从GBW/Ao大幅度提高到GBW/Go,然后搭建成一般精密整流,仿真效果不错,358运放可以调理几十KHz正弦波,馒头波不失真。就是没有电路板实验。

点评

GO是最小的放大倍数吗?为何和AO计算不一样?都是放大倍数  计算不应该是一样的吗?  详情 回复 发表于 2019-6-18 09:40


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纯净的硅(初级)

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发表于 2019-6-16 22:15 | 显示全部楼层

以358半波整流为例。

 

  影响精密整流关键项是运放的GB=GBW/Ao,如附件1带宽太小,馒头波非线性失真严重。参数GBW是固定的,而增益就成立可选项。设置电路较低放大倍数Go=1+Rb/Ra,电路带宽从GBW/Ao大幅度提高到GBW/Go,这样馒头波升降沿还不对称如附件2波形。在运放两个输入端并补偿电容,半波整流正半周馒头波升降沿完全重叠如虚线,幅度等于Vp如下图。电路的优点是以GBW/Go确定整流频率,只须调节电阻和电容。

358.GIF

 

 

点评

Rf/Re+1是放大倍数和设置电路较低放大倍数Go=1+Rb/Ra     怎么计算不一样   详情 回复 发表于 2019-6-18 09:20
放大倍数和RE RF没关系吗?  详情 回复 发表于 2019-6-17 17:29


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纯净的硅(初级)

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发表于 2019-6-16 22:18 | 显示全部楼层

附录1,由于358的Ao=1e+5,所以GBW/Ao带宽很小,延时很大,输出波形如下。

 

358a.GIF



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纯净的硅(初级)

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发表于 2019-6-16 22:22 | 显示全部楼层

附录2,Go=1+Rb/Ra,带宽提高很多,都是馒头波的升降沿不对称,下图将上升沿水平翻转如虚线,与后沿不重叠。

 

358b.GIF



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