基于电流模式的高频弱信号精密整流电路

摘 要： 精密整流电路广泛应用于交流信号测量和模拟信号处理系统，是微弱信号采样和测量电路的重要组成部分。阐述了通用精密整流电路整流特性，详细分析信号过零时因整流二极管截止而产生的误差，提出基于第二代电流传输器（CCⅡ）的高频弱信号精密整流电路，采用电流运算放大器AD844实现CCⅡ模型使电路工作在电流模式。仿真分析结果表明，该电路能够精确整流最小幅值10 mV，上限截止频率高达10 MHz的输入信号，有效避免了常用电压模式整流电路对频率的限制及信号过零附近的失真，提高了弱信号整流精度。

关键词： 精密整流电路； 第二代电流传输器； 高频弱信号； 电流模式

中图分类号： TN70⁃34 文献标识码： A 文章编号： 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

精密整流电路在交流信号测量和模拟信号处理系统中得到广泛应用。通常在进行电路设计时需要对电路的电压或电流信号进行采样，很多时候采样电路得到的信号为数值较小的交流信号，故需将采样得到的小信号进行精密整流，转换成单向脉动直流信号，从而确定电路的各种电信号参数，保证电路的可靠性和稳定性[1]。在信号处理系统中，弱信号的采集、调节和测量作为系统重要组成部分，主要采用精密整流电路实现，它们被广泛应用在各种不同测量仪器如交流电压表、线性函数发生器、射频解调器、峰值检测器等非线性模拟信号处理电路[2]。

常用精密整流电路主要由运算放大器和二极管组成，该类电路最明显的缺点在于信号翻转过程中，当输入信号过零时，因运算放大器固有的带宽增益积以及转换速率的限制使得整流输出信号产生失真[3]。随着电流模技术的发展，由于其比传统电压模式电路具有带宽和动态范围宽、精度高、速度快等优点[4]，在精密线性整流方面得到广泛应用[5]。文献[6⁃8]提出采用运算放大器对电流传输器功能进行精密整流，虽然整流精度提高了，但是由于运算放大器带宽增益限制使得电路工作频率依然较低。文献[9⁃13]提出采用晶体管实现电流镜，场效应管实现电流传输器的功能进行精密整流，电路工作频率较高，但是结构复杂，而且对器件参数匹配要求高，实际应用中较难达到。基于此，本文提出一种基于第二代电流传输器（the Second Generation Current Conveyor，CCⅡ）的精密整流电路，采用电流运算放大器实现CCⅡ模型，输入信号通过CCⅡ转换使电路工作在电流模式，完全克服二极管正向压降，同时采用直流电源补偿二极管导通压降并消除输出偏置。该电路结构简单，整流精度高且频率特性好，仿真结果表明能实现幅值10 mV，频率10 MHz的高频信号精密整流。

1 传统电压模精密整流原理

图1是一种经典的精密全波整流电路，由运算放大器和二极管共同组成[14]。

电路中各电阻满足R1=R2=R5=R6=2R4的匹配关系。当Ui[>]0时，输出电压Uo=Ui；当Ui[<]0时，输出电压Uo=-Ui；所以输出Uo=[Ui]。

该电路具有精密全波整流功能，二极管处于运算放大器负反馈回路，由于深度负反馈作用，其正向导通压降以及非线性所带来的误差被有效克服[15]。但是进一步分析发现，该电路对较高频率小信号整流不适用。如图2所示，当输入信号幅度较小时，整流输出信号在过零附近存在失真，而且随着输入信号频率增大，失真越来越明显，当信号频率达到5 kHz时，输出信号严重畸变，即使采用单位带宽增益大的运算放大器，这种情况依然没有改善。

由仿真结果可以看出，整流输出波形在输入信号极性由负向正变化的过渡时间内失真最严重，即二极管D2由截止到导通的过程。由于二极管在状态转换过程中存在开启效应，需要开启时间对结电容充电使其电压上升达到导通状态[16]。输入信号频率很低时，其开启时间可忽略，整流输出失真度低，当输入信号频率较高时，开启时间不能忽略；同时在二极管由截止向导通过渡期间，运算放大器必须在无限小[dVdt]信号条件下实现状态转换[2]，然而实际运算放大器转换速率不可能满足前面的条件，所以集成运放UA在信号过零附近工作在开环状态而不能保持线性工作模式，输出Uo1产生较强的干扰信号，使整流输出Uo在这段时间内产生失真。可见集成运放的放大作用和深度负反馈只能在一定程度减小二极管带来的误差并不能完全消除，所以考虑采用电流模有源器件的电流传输特性以及直流电源的补偿作用消除二极管导通的影响[17]。

2 改进型电流模精密整流原理

2.1 CCⅡ电流传输器特性

电流传输器概念于1968年首次提出，其综合实现的电流模式电路在带宽、线性度和动态范围方面比电压模式电路具有更大优越性[18]。第二代电流传输器CCⅡ的符号如图3所示，其端口特性可用矩阵方程表示为：

理想的电流传输器Y端口电流为0，X端口电压跟随Y端口（即X端输入电阻[Rx=0]），Z端口电流跟随X端口电流。X端电流可加电流源直接输入，也可在Y端加电压源间接转换输入，最后在Z端都能接收到全部电流。对于正型电流传输器CCⅡ+有[Iz=+Ix]；对于负型电流传输器CCⅡ-有[Iz=-Ix]。

比较典型的集成电流传输器产品是采用互补型双极性工艺的AD844芯片，单位增益缓冲器、电流镜及电流模等新技术的应用使之具有速度快、精度高的电流传输特性[19]，并且具有良好的增益频率特性，其带宽增益积可达107量级[20]。

2.2 负型第二代电流传输器实现电路

根据CCⅡ+和CCⅡ-的电流电压关系可得到由两个CCⅡ+实现的CCⅡ-电路[19]，那么基于AD844芯片实现的CCⅡ-电路如图4所示。当U1正端口输入正电压时，负端口电流流出，输出端口电流流出，从而U2输出端口电流流入，反之亦然，从而实现负型电流传输。

由AD844实现的CCⅡ-电路频率特性好，精度高，输入信号频率上升到10 MHz时，输出信号依然没有产生失真。

2.3 AD844实现电流模精密整流电路

基于AD844实现电流传输器功能的精密整流电路如图5所示，采用4个AD844可构成两个负型电流传输器，两个直流电压源分别补偿二极管D1和D2的导通电压，使它们保持在临界导通状态，避免了二极管状态转换可能造成的信号滞后或波形失真。直流电流源Io用于消除输入信号零点处输出偏置。电阻Ro将输出端电流还原成电压，调节其阻值可实现整流电路增益调节。

欲使电路工作在高频模式下，D1和D2选择开关二极管1N4148，当电压达到V1=530 mV时开始导通，V2= 670 mV后二极管进入线性工作状态，其斜率是导通电阻RD的倒数。要使二极管达到临界导通状态，补偿电压VD 应满足V1≤VD

当输入信号Vi=0时，直流电流源Io分别通过U2，U1和U4，U3流经二极管D2和D1，那么V1-=VD，I3-=Io，[Io=0，][Vo=0]；当输入信号Vi>0时，外加信号电流通过D1，VD补偿D1，则有：

当输入信号Vi<0时，外加信号电流通过D2，VD补偿D2，则有：

所以无论输入正信号或负信号都有输出电压[Vo=-RoRi⋅Vi]，电路实现负向全波整流功能。若输出端电阻Ro采用电位器，增大Ro可对输入弱信号进行放大输出，从而实现整流电路增益调节。

2.4 仿真结果

采用Multisim仿真软件对电路正确性加以验证，并得出电路工作频率特性。直流电压源取0.6 V，二极管D1和D2处于临界导通状态，当输入信号为零时，二极管D1，D2通过电流，U1，U3的负端口电流流出，U2，U4的输出端口电流流入，ID1=ID2=[12Io，]由二极管1N4148直流特性曲线可得当VD取0.6 V时，ID=0.5 mA，那么Io=1 mA。当Vi=0时，通过仿真得到直流电流源Io与输出电流的关系如图6所示，可以看出Io=0时，输出端偏置电流为-1 mA，Io=1 mA时，输出偏置为零，随着Io增大，由于二极管端电压不变故其电流保持恒定，输出端电流增加。

提出的精密整流电路直流传输特性仿真如图7所示，可以看到该电路能精确整流幅值为0～160 mV的输入信号，且信号过零附近不存在失真现象。由于输入电阻在二极管导通过程中会随其发生变化，故输出与理想[Vo=-kVi]存在偏差；当输入信号幅值增大，二极管工作在线性状态时，其导通电阻不变，系数k随之固定。当输入信号峰值低至10 mV时，欲得到单位增益输出信号Ro=523 Ω，其不同频率仿真输出波形如图8所示，从仿真结果看出提出的精密整流电路对于频率高达10 MHz的弱信号也能实现精密整流。

3 结 语

基于第二代电流传输器设计并实现一种电流模式高频弱信号精密整流电路。对传统的电压模精密整流电路仿真并进行整流特性分析，运算放大器转换速率的限制使信号过零附近产生严重的非线性误差，而其固有的带宽增益积则限制整个电路工作频率。本文提出采用AD844电流运算放大器实现负型第二代电流传输器结构，其增益频率特性好转换速率高，电路结构简单，采用直流电源进行二极管导通电压补偿并消除输出偏置，有效避免信号过零附近因二极管截止产生的误差，从而实现幅值10 mV，频率10 MHz的高频弱信号精密整流。随着IC技术的发展，多通道电流运算放大器的出现可使电路结构更简化，便于运用到某些精密仪器仪表测量领域。

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