一種微弱小信號精密整流系統的製作方法

2023-06-02 23:46:51 1

本發明涉及精密整流技術領域，尤其涉及一種微弱小信號精密整流系統。

背景技術：

精密整流常用的電路有兩種，一種是利用單向導通特性的二極體和集成運放的深度負反饋特性，實現輸入信號的整流，如圖1所示；一種是利用單電源供電的集成運放輸出最小值為零的特性，對輸入信號進行加減法運算獲得對信號的整流，如圖2所示。這兩種精密整流方法又可以引申出很多電路，圖1、圖2為常見的電路結構。

利用二極體結合運放實現信號精密整流存在的缺陷是輸入信號的頻率不能太高，如果達到1MHz以上，整流波形就會發生畸變。為了防止畸變發生，通常從兩個方面來改善性能，一是通過選用合適的運放；二是對信號正極性與負極性的處理通路的速度確保一致。但這兩種方法的結果只能對畸變的整流信號有所改善，並無法從本質上消除。

利用單電源供電的集成運放最小輸出電壓為零的特性，對輸入信號運算處理來獲得整流效果的電路存在的主要問題是，當輸入信號在零電平附近的時候，運放工作在非線性區，而且由於運放最小輸出不可能等於零，所以對於微弱的小信號(uV級)無法獲得處理結果。

技術實現要素：

本發明旨在解決現有技術中整流波形容易畸變，對微弱小信號無法獲得處理結果的技術問題，提供了一種微弱小信號精密整流系統，實現高頻條件下的有效整流並對微弱信號進行有效處理，同時也能實現中低頻條件下的有效整流。

本發明的實施例提供了一種微弱小信號精密整流系統，所述微弱小信號精密整流系統包括過零比較器，具有第一可控開關和第二可控開關的模擬開關，第一電壓跟隨器及第二電壓跟隨器；

所述第一電壓跟隨器及第二電壓跟隨器分別通過一個隔離電阻接入需要整流的輸入電壓vi，所述第一電壓跟隨器及第二電壓跟隨器的輸出端，用於形成整流後的輸出電壓Vo；

所述過零比較器輸入端接入所述輸入電壓vi，正極性邏輯信號輸出端與第一可控開關的控制端相連接，負極性邏輯信號輸出端與第二可控開關的控制端相連接；

所述第一可控開關及第二可控開關串聯連接，第一可控開關與第二可控開關的連接端接地，第一可控開關的另一端與第一電壓跟隨器輸入端相連接，第二可控開關的另一端與第二電壓跟隨器輸入端相連接；

其中，

優選地，所述過零比較器包括第一比較器及第二比較器，所述第一比較器的負向輸入端與第二比較器的正向輸入端相連接並接地，所述第一比較器的正向輸入端與第二比較器的負向輸入端分別用於接入所述輸入電壓vi，所述第一比較器的輸出端與第一可控開關的控制端相連接，所述第二比較器的輸出端與所述第二可控開關的控制端相連接。

優選地，所述第一電壓跟隨器及第二電壓跟隨器分別為FET電壓跟隨器，所述第一可控開關的另一端與第一電壓跟隨器的柵極端相連接，所述第二可控開關的另一端與第二電壓跟隨器的柵極端相連接，第一電壓跟隨器的源極端及第二電壓跟隨器的源極端用於形成所述整流後的輸出電壓Vo。

優選地，所述第一電壓跟隨器包括第一FET結型場效應管，第一FET結型場效應管的漏極連接一供電電源，第一FET結型場效應管的漏極還分別通過第一電容和第一電解電容接地，所述第一FET結型場效應管的漏極還依次串接第一可變電阻、第二電阻、第三電阻後接地，所述第一FET結型場效應管的柵極通過第一隔直電容與第一可控開關相連接，所述第一FET結型場效應管的柵極還連接有第四電阻，第四電阻的另一端與第二電阻及第三電阻的連接處相連接，所述第一FET結型場效應管的源極還通過第五電阻接地。

優選地，所述第二電壓跟隨器包括第二FET結型場效應管，第二FET結型場效應管的漏極連接一供電電源，第二FET結型場效應管的漏極還分別通過第二電容和第二電解電容接地，所述第二FET結型場效應管的漏極還依次串接第二可變電阻、第六電阻、第七電阻後接地，所述第二FET結型場效應管的柵極通過第二隔直電容與第二可控開關相連接，所述第二FET結型場效應管的柵極還連接有第八電阻，第八電阻的另一端與第六電阻及第七電阻的連接處相連接，所述第二FET結型場效應管的源極還通過第九電阻接地。進一步優選地，所述輸入電壓的頻率≥1MHz。

優選地，所述第一電壓跟隨器及第二電壓跟隨器分別包括一個運放，所述兩個運放的正向輸入端分別通過所述的隔離電阻接入所述輸入電壓vi，兩個運放的正向輸入端還分別連接對應的可控開關，所述第一電壓跟隨器的運放的輸出端與所述第二電壓跟隨器的運放的輸出端用於輸出所述輸出電壓Vo，其中，所述第一電壓跟隨器的輸出端與對應運放的負向輸入端相連接，所述第二電壓跟隨器的輸出端與對應運放的負向輸入端相連接。

優選地，所述微弱小信號精密整流系統還包括一減法器，所述第一電壓跟隨器的運放的輸出端與所述減法器的負向輸入端相連接，所述第二電壓跟隨器的運放輸出端與所述減法器的正向輸入端相連接，減法器的輸出端用於輸出所述輸出電壓Vo。

優選地，所述減法器包括第三運放，第三運放的正向輸入端通過第十電阻與第二電壓跟隨器的運放的輸出端相連接，第三運放的正向輸入端還通過第十一電阻接地，第三運放的負向輸入端通過第十二電阻與第一電壓跟隨器的運放的輸出端相連接，第三運放的負向輸入端還通過第十三電阻與第三運放的輸出端相連接。進一步優選地，所述輸入電壓的頻率0時，有過零比較器10的正極性邏輯為1，負極性邏輯為0，於是下面的第一可控開關21閉合，把下面的第一電壓跟隨器30的輸入信號強行拉低到零，上面的第二可控開關22打開，上面的第二電壓跟隨器40的輸入跟隨輸入信號為vi，此時，第一電壓跟隨器40的輸出電壓為VS1＝VSQ+vi，第二電壓跟隨器30的輸出電壓VS2＝VSQ。於是輸出電壓vo＝VS1-VS2＝vi；

當輸入電壓vi0時，有過零比較器10的正極性邏輯為高電平，負極性邏輯為低電平，於是第一可控開關21閉合，把下面的第一電壓跟隨器30的輸入信號強行拉低到零，上面的第二可控開關22打開，上面的第二電壓跟隨器40的輸入跟隨輸入信號為vi，其輸出也為vi，下面第一電壓跟隨器30電壓輸出為0，於是減法器50的輸出電壓vo＝vi；

當輸入電壓vi<0時，有過零比較器10的正極性邏輯為低電平，負極性邏輯為高電平，於是第二可控開關22把上面的第二電壓跟隨器40的輸入信號強行拉低到零，下面的第一可控開關21打開，下面的第一電壓跟隨器30的輸入跟隨輸入信號為vi，此時，第一電壓跟隨器30輸出電壓為vi，第二電壓跟隨器輸出電壓為0。於是減法器50的輸出電壓vo＝-vi。

於是有：

從而實現了整流的目的。

為了說明本發明上述實施例方案的可行性，結合圖5高頻仿真電路，過零比較器10採用型號為TLV3502超快速晶片，相應時間可達到4.5ns；模擬開關使用信號為MAX14761具有低導通電阻(小於1Ω)，最高帶寬達到100MHz的晶片；FET電壓跟隨器中使用的FET為具有雙管低噪聲低漂移的U401(U401～U406都可以，這裡選用U401)；當輸入信號為100uV/5MHz的正弦波時，其輸出波形如圖6所示。

如果用戶的信號頻率不高，如圖7所示，電壓跟隨器用普通運放就可以，後面整流信號可以直接用兩個跟隨器的相對電壓，進一步地可以通過一個運放進行加減運算，圖中利用低失調電壓OP07搭建起來的中低頻電路，使用的電壓比較器為普通的LM311，響應時間可以達到200ns；使用的模擬開關CD4066導通電阻小於1KΩ，頻率響應可達40MHz；當輸入信號為100mV/50KHz的正弦波時，圖8為其輸出波形結果。

本發明的技術方案，不僅大大提高處理信號的頻率(1MHz以上)，同時對於微弱信號也可以獲得很好的整理處理。

上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理和較理想的實施例，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。