基于電流模式的高頻弱信號精密整流電路

摘 要： 精密整流電路廣泛應用于交流信號測量和模擬信號處理系統，是微弱信號采樣和測量電路的重要組成部分。闡述了通用精密整流電路整流特性，詳細分析信號過零時因整流二極管截止而產生的誤差，提出基于第二代電流傳輸器（CCⅡ）的高頻弱信號精密整流電路，采用電流運算放大器AD844實現CCⅡ模型使電路工作在電流模式。仿真分析結果表明，該電路能夠精確整流最小幅值10 mV，上限截止頻率高達10 MHz的輸入信號，有效避免了常用電壓模式整流電路對頻率的限制及信號過零附近的失真，提高了弱信號整流精度。

關鍵詞： 精密整流電路； 第二代電流傳輸器； 高頻弱信號； 電流模式

中圖分類號： TN70?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）14?0139?04

Current mode based precision rectifier circuit for high?frequency weak signal

LIU Shixing， FENG Tingting， CHEN Yulu， YI Maoxiang

（School of Electronic Science and Applied Physics， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： The precision rectifier circuit is widely used in AC signal measurement and analog signal processing system， and is an important component of the weak signal sampling and measuring circuit. In this paper， the rectification characteristic of the general precision rectifier circuit is explained， and the error generated by the rectifier diode cutoff while signal is crossing zero is analyzed in detail. The precision rectifier circuit for high?frequency weak signal， based on CCⅡ（the second generation current conveyor）， is put forward. The current operational amplifier AD844 is used to realize the CCⅡ model and make the circuit work in current mode. The simulation results show that the circuit can precisely rectify the input signal， whose minimum amplitude is 10 mV and upper cut?off frequency can reach up to 10 MHz. The circuit can effectively avoid the frequency restriction of the common voltage mode rectifier circuit and signal distortion near the zero?crossing， and improve the rectification accuracy of the weak signal.

Keywords： precision rectifier circuit； current conveyor Ⅱ； high?frequency weak signal； current mode

0 引 言

精密整流電路在交流信號測量和模擬信號處理系統中得到廣泛應用。通常在進行電路設計時需要對電路的電壓或電流信號進行采樣，很多時候采樣電路得到的信號為數值較小的交流信號，故需將采樣得到的小信號進行精密整流，轉換成單向脈動直流信號，從而確定電路的各種電信號參數，保證電路的可靠性和穩定性[1]。在信號處理系統中，弱信號的采集、調節和測量作為系統重要組成部分，主要采用精密整流電路實現，它們被廣泛應用在各種不同測量儀器如交流電壓表、線性函數發生器、射頻解調器、峰值檢測器等非線性模擬信號處理電路[2]。

常用精密整流電路主要由運算放大器和二極管組成，該類電路最明顯的缺點在于信號翻轉過程中，當輸入信號過零時，因運算放大器固有的帶寬增益積以及轉換速率的限制使得整流輸出信號產生失真[3]。隨著電流模技術的發展，由于其比傳統電壓模式電路具有帶寬和動態范圍寬、精度高、速度快等優點[4]，在精密線性整流方面得到廣泛應用[5]。文獻[6?8]提出采用運算放大器對電流傳輸器功能進行精密整流，雖然整流精度提高了，但是由于運算放大器帶寬增益限制使得電路工作頻率依然較低。文獻[9?13]提出采用晶體管實現電流鏡，場效應管實現電流傳輸器的功能進行精密整流，電路工作頻率較高，但是結構復雜，而且對器件參數匹配要求高，實際應用中較難達到。基于此，本文提出一種基于第二代電流傳輸器（the Second Generation Current Conveyor，CCⅡ）的精密整流電路，采用電流運算放大器實現CCⅡ模型，輸入信號通過CCⅡ轉換使電路工作在電流模式，完全克服二極管正向壓降，同時采用直流電源補償二極管導通壓降并消除輸出偏置。該電路結構簡單，整流精度高且頻率特性好，仿真結果表明能實現幅值10 mV，頻率10 MHz的高頻信號精密整流。

1 傳統電壓模精密整流原理

圖1是一種經典的精密全波整流電路，由運算放大器和二極管共同組成[14]。

電路中各電阻滿足R1=R2=R5=R6=2R4的匹配關系。當Ui[>]0時，輸出電壓Uo=Ui；當Ui[<]0時，輸出電壓Uo=-Ui；所以輸出Uo=[Ui]。

該電路具有精密全波整流功能，二極管處于運算放大器負反饋回路，由于深度負反饋作用，其正向導通壓降以及非線性所帶來的誤差被有效克服[15]。但是進一步分析發現，該電路對較高頻率小信號整流不適用。如圖2所示，當輸入信號幅度較小時，整流輸出信號在過零附近存在失真，而且隨著輸入信號頻率增大，失真越來越明顯，當信號頻率達到5 kHz時，輸出信號嚴重畸變，即使采用單位帶寬增益大的運算放大器，這種情況依然沒有改善。

由仿真結果可以看出，整流輸出波形在輸入信號極性由負向正變化的過渡時間內失真最嚴重，即二極管D2由截止到導通的過程。由于二極管在狀態轉換過程中存在開啟效應，需要開啟時間對結電容充電使其電壓上升達到導通狀態[16]。輸入信號頻率很低時，其開啟時間可忽略，整流輸出失真度低，當輸入信號頻率較高時，開啟時間不能忽略；同時在二極管由截止向導通過渡期間，運算放大器必須在無限小[dVdt]信號條件下實現狀態轉換[2]，然而實際運算放大器轉換速率不可能滿足前面的條件，所以集成運放UA在信號過零附近工作在開環狀態而不能保持線性工作模式，輸出Uo1產生較強的干擾信號，使整流輸出Uo在這段時間內產生失真。可見集成運放的放大作用和深度負反饋只能在一定程度減小二極管帶來的誤差并不能完全消除，所以考慮采用電流模有源器件的電流傳輸特性以及直流電源的補償作用消除二極管導通的影響[17]。

2 改進型電流模精密整流原理

2.1 CCⅡ電流傳輸器特性

電流傳輸器概念于1968年首次提出，其綜合實現的電流模式電路在帶寬、線性度和動態范圍方面比電壓模式電路具有更大優越性[18]。第二代電流傳輸器CCⅡ的符號如圖3所示，其端口特性可用矩陣方程表示為：

理想的電流傳輸器Y端口電流為0，X端口電壓跟隨Y端口（即X端輸入電阻[Rx=0]），Z端口電流跟隨X端口電流。X端電流可加電流源直接輸入，也可在Y端加電壓源間接轉換輸入，最后在Z端都能接收到全部電流。對于正型電流傳輸器CCⅡ+有[Iz=+Ix]；對于負型電流傳輸器CCⅡ-有[Iz=-Ix]。

比較典型的集成電流傳輸器產品是采用互補型雙極性工藝的AD844芯片，單位增益緩沖器、電流鏡及電流模等新技術的應用使之具有速度快、精度高的電流傳輸特性[19]，并且具有良好的增益頻率特性，其帶寬增益積可達107量級[20]。

2.2 負型第二代電流傳輸器實現電路

根據CCⅡ+和CCⅡ-的電流電壓關系可得到由兩個CCⅡ+實現的CCⅡ-電路[19]，那么基于AD844芯片實現的CCⅡ-電路如圖4所示。當U1正端口輸入正電壓時，負端口電流流出，輸出端口電流流出，從而U2輸出端口電流流入，反之亦然，從而實現負型電流傳輸。

由AD844實現的CCⅡ-電路頻率特性好，精度高，輸入信號頻率上升到10 MHz時，輸出信號依然沒有產生失真。

2.3 AD844實現電流模精密整流電路

基于AD844實現電流傳輸器功能的精密整流電路如圖5所示，采用4個AD844可構成兩個負型電流傳輸器，兩個直流電壓源分別補償二極管D1和D2的導通電壓，使它們保持在臨界導通狀態，避免了二極管狀態轉換可能造成的信號滯后或波形失真。直流電流源Io用于消除輸入信號零點處輸出偏置。電阻Ro將輸出端電流還原成電壓，調節其阻值可實現整流電路增益調節。

欲使電路工作在高頻模式下，D1和D2選擇開關二極管1N4148，當電壓達到V1=530 mV時開始導通，V2= 670 mV后二極管進入線性工作狀態，其斜率是導通電阻RD的倒數。要使二極管達到臨界導通狀態，補償電壓VD 應滿足V1≤VD

當輸入信號Vi=0時，直流電流源Io分別通過U2，U1和U4，U3流經二極管D2和D1，那么V1-=VD，I3-=Io，[Io=0，][Vo=0]；當輸入信號Vi>0時，外加信號電流通過D1，VD補償D1，則有：

當輸入信號Vi<0時，外加信號電流通過D2，VD補償D2，則有：

所以無論輸入正信號或負信號都有輸出電壓[Vo=-RoRi?Vi]，電路實現負向全波整流功能。若輸出端電阻Ro采用電位器，增大Ro可對輸入弱信號進行放大輸出，從而實現整流電路增益調節。

2.4 仿真結果

采用Multisim仿真軟件對電路正確性加以驗證，并得出電路工作頻率特性。直流電壓源取0.6 V，二極管D1和D2處于臨界導通狀態，當輸入信號為零時，二極管D1，D2通過電流，U1，U3的負端口電流流出，U2，U4的輸出端口電流流入，ID1=ID2=[12Io，]由二極管1N4148直流特性曲線可得當VD取0.6 V時，ID=0.5 mA，那么Io=1 mA。當Vi=0時，通過仿真得到直流電流源Io與輸出電流的關系如圖6所示，可以看出Io=0時，輸出端偏置電流為-1 mA，Io=1 mA時，輸出偏置為零，隨著Io增大，由于二極管端電壓不變故其電流保持恒定，輸出端電流增加。

提出的精密整流電路直流傳輸特性仿真如圖7所示，可以看到該電路能精確整流幅值為0～160 mV的輸入信號，且信號過零附近不存在失真現象。由于輸入電阻在二極管導通過程中會隨其發生變化，故輸出與理想[Vo=-kVi]存在偏差；當輸入信號幅值增大，二極管工作在線性狀態時，其導通電阻不變，系數k隨之固定。當輸入信號峰值低至10 mV時，欲得到單位增益輸出信號Ro=523 Ω，其不同頻率仿真輸出波形如圖8所示，從仿真結果看出提出的精密整流電路對于頻率高達10 MHz的弱信號也能實現精密整流。

3 結 語

基于第二代電流傳輸器設計并實現一種電流模式高頻弱信號精密整流電路。對傳統的電壓模精密整流電路仿真并進行整流特性分析，運算放大器轉換速率的限制使信號過零附近產生嚴重的非線性誤差，而其固有的帶寬增益積則限制整個電路工作頻率。本文提出采用AD844電流運算放大器實現負型第二代電流傳輸器結構，其增益頻率特性好轉換速率高，電路結構簡單，采用直流電源進行二極管導通電壓補償并消除輸出偏置，有效避免信號過零附近因二極管截止產生的誤差，從而實現幅值10 mV，頻率10 MHz的高頻弱信號精密整流。隨著IC技術的發展，多通道電流運算放大器的出現可使電路結構更簡化，便于運用到某些精密儀器儀表測量領域。

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