高速精密整流电路的仿真设计与探索

李英博， 辛增献， 胡 安， 刘苏杰

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

精密整流电路采用单向导通特性的二极管和集成运放的深度负反馈特性，实现输入微弱信号的整流［1］，已被广泛用于雷达、导引头等回波信号的处理。然而，随着芯片技术的发展，导引头选用的中频频率不断提高，精密整流工作频段越来越高。原有的经典全波精密整流电路在高中频信号正向、负向切换中，出现严重波形畸变，整流后的波形基本不可用，无法提取有效的全波整流信息。本文将对该现象进行分析，从波形畸变的本质出发，通过电路仿真提出了两种改进思路，实现了高速精密整流电路的改进电路。改进后的电路，能够实现1MHz～10MHz中频信号的精密整流。

1 经典全波精密整流原理

经典全波精密整流电路由半波精密整流电路和反相相加电路组成，如图1 所示。图中，R1、R3、R6、D1、D2和放大器N1 共同组成半波精密整流电路，而R2、R4、R5、R7和放大器N2组成反相相加电路。

图1 全波精密整流电路原理图

半波精密整流电路工作原理：集成运放N1为负反馈连接，当A 点电压为正时，二极管D2导通，二极管D1截止，集成运放N1工作在深度负反馈状态，因此B 点电压为负；当A 点电压为负时，二极管D2 截止，二极管D1 导通，集成运放N1工作在跟随状态，跟随电压由R6虚短到地，因此B点电压为零。半波精密整流电路B 点输出的信号经过R4和A 点输入经过R2共同形成相加电路，设置R4阻值为R2阻值的一半，实现信号求和后的幅度一致，并可经过R5放大，形成最终的C点输出信号。按照图1电路在PSPICE中建立仿真模型［2］，二极管采用1N4148、集成运放采用AD826。上述原理可采用PSPICE 仿真进行验证，设定输入A 点波形为1V／10kHz正弦信号，仿真时间300μs，将在B 点形成半波精密整流信号，C 点形成全波整流信号，如图2 所示。

2 高速整流失真分析

经典精密整流电路对低频信号的整流效果非常好，但在信号升高到较高频率后，出现较为严重的失真。如图3所示，设定输入A 点波形为1V／1 MHz正弦信号，仿真时间为2μs，将在B 点形成半波精密整流信号，C点形成全波整流信号，如图3所示。

图2 全波整流电路仿真波形

图3 1 MHz全波整流畸变波形

从图3中可以看出，当信号频率升高到1MHz时，输出的全波整流信号出现严重的畸变，整流输出信号过零点时，出现周期性过冲或达不到零点。

精密整流电路可拆分为半波整流电路和加法器两个功能模块，分别进行仿真，如图4所示。在断开R2、连接R4的状态下，整流输出C 点输出波形与输入A 点波形完全反相，无任何时延。在断开R4，连接R2的状态下，整流输出C 点输出波形相比A 点波形起始段存在50ns左右的滞后。这两个状态C 点输出波形相加，于是出现了图4中的波形畸变。

波形畸变的原因在于，精密整流电路加法电路的两个分支的路径不一样，对初始信号的延迟时间存在差异，在全波整流反相相加中出现波形周期性畸变。

图4 断开R2、R4的仿真波形

3 高速整流改进与分析

为改善全波精密整流电路的高速特性，必须解决经典全波整流电路时延不一致的问题。可以采用以下两种方法提高电路的高速整流性能：其一，采用基本对称的两路半波整流，再合成全波整流；其二，对集成运放的整流、相加电路采用平衡设计，保证正负两路半波整流的延迟基本一致。

3.1 双路高速整流电路

如图5所示，采用两个半波整流电路并行，分别对输入信号的正负进行整流，最后汇合到输出端口，电路主要由集成运放、四个二极管、电阻组成。待整流信号分别通过放大器N1的负端、N2的正端进行半波整流，两个半波整流的延迟从一个放大器的延迟减少到正负端口的放大延迟差异。该电路采用较少的匹配电阻，受电阻参数漂移影响小，调试简单，稳定可靠。

按照图5 电路图在PSPICE 中建立仿真模型，二极管仍采用1N4148、集成运放采用AD826，设定输入A 点波形为1V／1 MHz正弦信号，仿真时间2μs，C点形成全波整流信号［3］，如图6所示。

从图6中可以看出，双路全波精密整流输出C1点的波形并没有像经典全波精密整流电路C点输出，产生较大的过冲，而且在整流后的波形与输入相比滞后非常小。由于两路整流分别通过运算放大器正负端输入，信号整流路径仍然存在微小的差异，产生零附近的整流信号过冲。

图5 双路整流电路原理图

图6 经典与双路全波整流波形比较

3.2 平衡高速整流电路

如图6所示，采用二极管D1、D2和集成运放N1形成正负对称的整流电路，然后经过R6、R7以及以N2为核心的差分放大电路，实现正负整流平衡。该电路构成较为复杂，主要由集成运放、两个二极管、十个电阻、两个电容组成。该电路的优点在于正负整流分开，可分开独立调试，配合电容C1、C2，精确实现正负两路整流的延迟调整，从而完全解决零附近的整流信号过冲。

按照图7 电路图在PSPICE 中建立仿真模型，二极管仍采用1N4148、集成运放采用AD826，设定输入A 点波形为1V／1 MHz正弦信号，仿真时间为2μs，C2 点形成全波整流信号，如图8所示。仿真试验中，主要调整R3、R10使正负两路整流后幅度相互一致，结合调整C1、C2，减小信号在零附近的过冲。

从图8中可以看出，双路全波精密整流输出C点的波形完全消除了零附近的整流信号过冲，其整流后的波形与输入相比存在平移性的波形滞后。由于电路构成复杂，需要进行正反整流放大增益的精确调试，否则将出现正向、负向波形高度不一致的波形畸变。

图7 平衡高速整流电路原理图

图8 经典与平衡全波整流波形比较

3.3 高速性能分析与探索

上述仿真均在输入信号为1 MHz时进行仿真，当输入信号频率继续升高时，平衡全波整流电路的性能优于高速全波整流电路的性能。设定输入A 点波形为1V／10 MHz正弦信号，仿真时间为0.3μs，C1、C2点形成全波整流信号，如图9所示。

从图9中可以看出，经典、双路全波整流电路波形已畸变的无法使用，而平衡整流电路的全波整流波形正常，仅对输入信号延迟60ns左右。

在使用1N4148、AD826 的条件下，对经典、双路、平衡全波整流电路进行频率扫描和反复仿真试验对比分析［4］，可形成以下结论：

a）经典全波整流电路在100kHz左右整流输出基本无畸变，该电路调试较为简单；

图9 10 MHz输入整流波形对比

b）双路全波整流电路在1 MHz左右整流输出基本无畸变，该电路无需调试，具有最好的可生产性；

c）平衡全波整流电路在15 MHz左右整流输出基本无畸变，该电路调试较为复杂，精心调整电阻、电容大小，使两路延迟保持一致，能实现最优的整流特性。

4 结束语

大量仿真试验表明：经典精密整流电路在高频段所产生的波形畸变，是由于正反向整流路径的时延差异导致。双路全波精密整流电路简单、稳定，无须调试即可完成高速性能提升，但由于放大器正负端的差异，在检波信号达到1 MHz左右也会出现波形畸变。平衡全波整流电路采用复杂的平衡电路实现了高速性能提升，调试复杂，可以实现15 MHz左右的检波。在工程应用上，不论哪种电路，通过选用高速肖特基二极管、高速集成运放，还可以进一步提升高速整流性能。

［1］ 童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］ 李永平，储成伟.Pspice电路仿真程序设计［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［3］ 刘苏杰.带通滤波器的优化设计与分析［J］.制导与引信，2005，26（4）：49-52.

［4］ 刘苏杰.电路仿真技术在科研生产中的应用［J］.制导与引信，2011，32（2）：4-10.