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      高速精密整流電路的仿真設(shè)計(jì)與探索

      2015-04-20 00:44:32李英博辛增獻(xiàn)劉蘇杰
      制導(dǎo)與引信 2015年3期
      關(guān)鍵詞:全波半波雙路

      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(yàn)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??梢圆捎靡韵聝煞N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(jì),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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(jì)[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(jì)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.

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