高速精密整流電路的仿真設(shè)計與探索

李英博， 辛增獻(xiàn)， 胡 安， 劉蘇杰

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

精密整流電路采用單向?qū)ㄌ匦缘亩O管和集成運(yùn)放的深度負(fù)反饋特性，實(shí)現(xiàn)輸入微弱信號的整流［1］，已被廣泛用于雷達(dá)、導(dǎo)引頭等回波信號的處理。然而，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)引頭選用的中頻頻率不斷提高，精密整流工作頻段越來越高。原有的經(jīng)典全波精密整流電路在高中頻信號正向、負(fù)向切換中，出現(xiàn)嚴(yán)重波形畸變，整流后的波形基本不可用，無法提取有效的全波整流信息。本文將對該現(xiàn)象進(jìn)行分析，從波形畸變的本質(zhì)出發(fā)，通過電路仿真提出了兩種改進(jìn)思路，實(shí)現(xiàn)了高速精密整流電路的改進(jìn)電路。改進(jìn)后的電路，能夠?qū)崿F(xiàn)1MHz～10MHz中頻信號的精密整流。

1 經(jīng)典全波精密整流原理

經(jīng)典全波精密整流電路由半波精密整流電路和反相相加電路組成，如圖1 所示。圖中，R1、R3、R6、D1、D2和放大器N1 共同組成半波精密整流電路，而R2、R4、R5、R7和放大器N2組成反相相加電路。

圖1 全波精密整流電路原理圖

半波精密整流電路工作原理：集成運(yùn)放N1為負(fù)反饋連接，當(dāng)A 點(diǎn)電壓為正時，二極管D2導(dǎo)通，二極管D1截止，集成運(yùn)放N1工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，因此B 點(diǎn)電壓為負(fù)；當(dāng)A 點(diǎn)電壓為負(fù)時，二極管D2 截止，二極管D1 導(dǎo)通，集成運(yùn)放N1工作在跟隨狀態(tài)，跟隨電壓由R6虛短到地，因此B點(diǎn)電壓為零。半波精密整流電路B 點(diǎn)輸出的信號經(jīng)過R4和A 點(diǎn)輸入經(jīng)過R2共同形成相加電路，設(shè)置R4阻值為R2阻值的一半，實(shí)現(xiàn)信號求和后的幅度一致，并可經(jīng)過R5放大，形成最終的C點(diǎn)輸出信號。按照圖1電路在PSPICE中建立仿真模型［2］，二極管采用1N4148、集成運(yùn)放采用AD826。上述原理可采用PSPICE 仿真進(jìn)行驗證，設(shè)定輸入A 點(diǎn)波形為1V／10kHz正弦信號，仿真時間300μs，將在B 點(diǎn)形成半波精密整流信號，C 點(diǎn)形成全波整流信號，如圖2 所示。

2 高速整流失真分析

經(jīng)典精密整流電路對低頻信號的整流效果非常好，但在信號升高到較高頻率后，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的失真。如圖3所示，設(shè)定輸入A 點(diǎn)波形為1V／1 MHz正弦信號，仿真時間為2μs，將在B 點(diǎn)形成半波精密整流信號，C點(diǎn)形成全波整流信號，如圖3所示。

圖2 全波整流電路仿真波形

圖3 1 MHz全波整流畸變波形

從圖3中可以看出，當(dāng)信號頻率升高到1MHz時，輸出的全波整流信號出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變，整流輸出信號過零點(diǎn)時，出現(xiàn)周期性過沖或達(dá)不到零點(diǎn)。

精密整流電路可拆分為半波整流電路和加法器兩個功能模塊，分別進(jìn)行仿真，如圖4所示。在斷開R2、連接R4的狀態(tài)下，整流輸出C 點(diǎn)輸出波形與輸入A 點(diǎn)波形完全反相，無任何時延。在斷開R4，連接R2的狀態(tài)下，整流輸出C 點(diǎn)輸出波形相比A 點(diǎn)波形起始段存在50ns左右的滯后。這兩個狀態(tài)C 點(diǎn)輸出波形相加，于是出現(xiàn)了圖4中的波形畸變。

波形畸變的原因在于，精密整流電路加法電路的兩個分支的路徑不一樣，對初始信號的延遲時間存在差異，在全波整流反相相加中出現(xiàn)波形周期性畸變。

圖4 斷開R2、R4的仿真波形

3 高速整流改進(jìn)與分析

為改善全波精密整流電路的高速特性，必須解決經(jīng)典全波整流電路時延不一致的問題。可以采用以下兩種方法提高電路的高速整流性能：其一，采用基本對稱的兩路半波整流，再合成全波整流；其二，對集成運(yùn)放的整流、相加電路采用平衡設(shè)計，保證正負(fù)兩路半波整流的延遲基本一致。

3.1 雙路高速整流電路

如圖5所示，采用兩個半波整流電路并行，分別對輸入信號的正負(fù)進(jìn)行整流，最后匯合到輸出端口，電路主要由集成運(yùn)放、四個二極管、電阻組成。待整流信號分別通過放大器N1的負(fù)端、N2的正端進(jìn)行半波整流，兩個半波整流的延遲從一個放大器的延遲減少到正負(fù)端口的放大延遲差異。該電路采用較少的匹配電阻，受電阻參數(shù)漂移影響小，調(diào)試簡單，穩(wěn)定可靠。

按照圖5 電路圖在PSPICE 中建立仿真模型，二極管仍采用1N4148、集成運(yùn)放采用AD826，設(shè)定輸入A 點(diǎn)波形為1V／1 MHz正弦信號，仿真時間2μs，C點(diǎn)形成全波整流信號［3］，如圖6所示。

從圖6中可以看出，雙路全波精密整流輸出C1點(diǎn)的波形并沒有像經(jīng)典全波精密整流電路C點(diǎn)輸出，產(chǎn)生較大的過沖，而且在整流后的波形與輸入相比滯后非常小。由于兩路整流分別通過運(yùn)算放大器正負(fù)端輸入，信號整流路徑仍然存在微小的差異，產(chǎn)生零附近的整流信號過沖。

圖5 雙路整流電路原理圖

圖6 經(jīng)典與雙路全波整流波形比較

3.2 平衡高速整流電路

如圖6所示，采用二極管D1、D2和集成運(yùn)放N1形成正負(fù)對稱的整流電路，然后經(jīng)過R6、R7以及以N2為核心的差分放大電路，實(shí)現(xiàn)正負(fù)整流平衡。該電路構(gòu)成較為復(fù)雜，主要由集成運(yùn)放、兩個二極管、十個電阻、兩個電容組成。該電路的優(yōu)點(diǎn)在于正負(fù)整流分開，可分開獨(dú)立調(diào)試，配合電容C1、C2，精確實(shí)現(xiàn)正負(fù)兩路整流的延遲調(diào)整，從而完全解決零附近的整流信號過沖。

按照圖7 電路圖在PSPICE 中建立仿真模型，二極管仍采用1N4148、集成運(yùn)放采用AD826，設(shè)定輸入A 點(diǎn)波形為1V／1 MHz正弦信號，仿真時間為2μs，C2 點(diǎn)形成全波整流信號，如圖8所示。仿真試驗中，主要調(diào)整R3、R10使正負(fù)兩路整流后幅度相互一致，結(jié)合調(diào)整C1、C2，減小信號在零附近的過沖。

從圖8中可以看出，雙路全波精密整流輸出C點(diǎn)的波形完全消除了零附近的整流信號過沖，其整流后的波形與輸入相比存在平移性的波形滯后。由于電路構(gòu)成復(fù)雜，需要進(jìn)行正反整流放大增益的精確調(diào)試，否則將出現(xiàn)正向、負(fù)向波形高度不一致的波形畸變。

圖7 平衡高速整流電路原理圖

圖8 經(jīng)典與平衡全波整流波形比較

3.3 高速性能分析與探索

上述仿真均在輸入信號為1 MHz時進(jìn)行仿真，當(dāng)輸入信號頻率繼續(xù)升高時，平衡全波整流電路的性能優(yōu)于高速全波整流電路的性能。設(shè)定輸入A 點(diǎn)波形為1V／10 MHz正弦信號，仿真時間為0.3μs，C1、C2點(diǎn)形成全波整流信號，如圖9所示。

從圖9中可以看出，經(jīng)典、雙路全波整流電路波形已畸變的無法使用，而平衡整流電路的全波整流波形正常，僅對輸入信號延遲60ns左右。

在使用1N4148、AD826 的條件下，對經(jīng)典、雙路、平衡全波整流電路進(jìn)行頻率掃描和反復(fù)仿真試驗對比分析［4］，可形成以下結(jié)論：

a）經(jīng)典全波整流電路在100kHz左右整流輸出基本無畸變，該電路調(diào)試較為簡單；

圖9 10 MHz輸入整流波形對比

b）雙路全波整流電路在1 MHz左右整流輸出基本無畸變，該電路無需調(diào)試，具有最好的可生產(chǎn)性；

c）平衡全波整流電路在15 MHz左右整流輸出基本無畸變，該電路調(diào)試較為復(fù)雜，精心調(diào)整電阻、電容大小，使兩路延遲保持一致，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的整流特性。

4 結(jié)束語

大量仿真試驗表明：經(jīng)典精密整流電路在高頻段所產(chǎn)生的波形畸變，是由于正反向整流路徑的時延差異導(dǎo)致。雙路全波精密整流電路簡單、穩(wěn)定，無須調(diào)試即可完成高速性能提升，但由于放大器正負(fù)端的差異，在檢波信號達(dá)到1 MHz左右也會出現(xiàn)波形畸變。平衡全波整流電路采用復(fù)雜的平衡電路實(shí)現(xiàn)了高速性能提升，調(diào)試復(fù)雜，可以實(shí)現(xiàn)15 MHz左右的檢波。在工程應(yīng)用上，不論哪種電路，通過選用高速肖特基二極管、高速集成運(yùn)放，還可以進(jìn)一步提升高速整流性能。

［1］ 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］ 李永平，儲成偉.Pspice電路仿真程序設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［3］ 劉蘇杰.帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計與分析［J］.制導(dǎo)與引信，2005，26（4）：49-52.

［4］ 劉蘇杰.電路仿真技術(shù)在科研生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.制導(dǎo)與引信，2011，32（2）：4-10.