干货 | 一个精密整流的实验

如果信号频率进一步提升，那么不仅是压摆率的问题，运放本身的频响也在劣化，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。

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。

另外还有一个电路，就是将电路中的D2开路，如下图所示。

它与采用两个二极管的电路（以下简称双管电路）的重要分别是：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。

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。

1MHz。这个波形就显著与双管电路不一样了。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。

5MHz。这个频率下已经基本没有整流作用了。

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原因。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。