CN106685247A - 一种微弱小信号精密整流系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微弱小信号精密整流系统，包括过零比较器，模拟开关，第一电压跟随器及第二电压跟随器；第一电压跟随器及第二电压跟随器分别通过一个隔离电阻接入需要整流的输入电压vi，第一电压跟随器及第二电压跟随器的输出端，用于形成整流后的输出电压Vo；过零比较器输入端接入所述输入电压vi，正极性逻辑信号输出端与第一可控开关的控制端相连接，负极性逻辑信号输出端与第二可控开关的控制端相连接；第一可控开关及第二可控开关串联连接，第一可控开关与第二可控开关的连接端接地，第一可控开关的另一端与第一电压跟随器输入端相连接，第二可控开关的另一端与第二电压跟随器输入端相连接；其中，本发明的技术方案实现了高频条件下的有效整流并对微弱信号进行有效处理。

Description

一种微弱小信号精密整流系统
技术领域
本发明涉及精密整流技术领域，尤其涉及一种微弱小信号精密整流系统。
背景技术
精密整流常用的电路有两种，一种是利用单向导通特性的二极管和集成运放的深度负反馈特性，实现输入信号的整流，如图1所示；一种是利用单电源供电的集成运放输出最小值为零的特性，对输入信号进行加减法运算获得对信号的整流，如图2所示。这两种精密整流方法又可以引申出很多电路，图1、图2为常见的电路结构。
利用二极管结合运放实现信号精密整流存在的缺陷是输入信号的频率不能太高，如果达到1MHz以上，整流波形就会发生畸变。为了防止畸变发生，通常从两个方面来改善性能，一是通过选用合适的运放；二是对信号正极性与负极性的处理通路的速度确保一致。但这两种方法的结果只能对畸变的整流信号有所改善，并无法从本质上消除。
利用单电源供电的集成运放最小输出电压为零的特性，对输入信号运算处理来获得整流效果的电路存在的主要问题是，当输入信号在零电平附近的时候，运放工作在非线性区，而且由于运放最小输出不可能等于零，所以对于微弱的小信号(uV级)无法获得处理结果。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中整流波形容易畸变，对微弱小信号无法获得处理结果的技术问题，提供了一种微弱小信号精密整流系统，实现高频条件下的有效整流并对微弱信号进行有效处理，同时也能实现中低频条件下的有效整流。
本发明的实施例提供了一种微弱小信号精密整流系统，所述微弱小信号精密整流系统包括过零比较器，具有第一可控开关和第二可控开关的模拟开关，第一电压跟随器及第二电压跟随器；
所述第一电压跟随器及第二电压跟随器分别通过一个隔离电阻接入需要整流的输入电压vi，所述第一电压跟随器及第二电压跟随器的输出端，用于形成整流后的输出电压Vo；
所述过零比较器输入端接入所述输入电压vi，正极性逻辑信号输出端与第一可控开关的控制端相连接，负极性逻辑信号输出端与第二可控开关的控制端相连接；
所述第一可控开关及第二可控开关串联连接，第一可控开关与第二可控开关的连接端接地，第一可控开关的另一端与第一电压跟随器输入端相连接，第二可控开关的另一端与第二电压跟随器输入端相连接；
其中，
优选地，所述过零比较器包括第一比较器及第二比较器，所述第一比较器的负向输入端与第二比较器的正向输入端相连接并接地，所述第一比较器的正向输入端与第二比较器的负向输入端分别用于接入所述输入电压vi，所述第一比较器的输出端与第一可控开关的控制端相连接，所述第二比较器的输出端与所述第二可控开关的控制端相连接。
优选地，所述第一电压跟随器及第二电压跟随器分别为FET电压跟随器，所述第一可控开关的另一端与第一电压跟随器的栅极端相连接，所述第二可控开关的另一端与第二电压跟随器的栅极端相连接，第一电压跟随器的源极端及第二电压跟随器的源极端用于形成所述整流后的输出电压Vo。
优选地，所述第一电压跟随器包括第一FET结型场效应管，第一FET结型场效应管的漏极连接一供电电源，第一FET结型场效应管的漏极还分别通过第一电容和第一电解电容接地，所述第一FET结型场效应管的漏极还依次串接第一可变电阻、第二电阻、第三电阻后接地，所述第一FET结型场效应管的栅极通过第一隔直电容与第一可控开关相连接，所述第一FET结型场效应管的栅极还连接有第四电阻，第四电阻的另一端与第二电阻及第三电阻的连接处相连接，所述第一FET结型场效应管的源极还通过第五电阻接地。
优选地，所述第二电压跟随器包括第二FET结型场效应管，第二FET结型场效应管的漏极连接一供电电源，第二FET结型场效应管的漏极还分别通过第二电容和第二电解电容接地，所述第二FET结型场效应管的漏极还依次串接第二可变电阻、第六电阻、第七电阻后接地，所述第二FET结型场效应管的栅极通过第二隔直电容与第二可控开关相连接，所述第二FET结型场效应管的栅极还连接有第八电阻，第八电阻的另一端与第六电阻及第七电阻的连接处相连接，所述第二FET结型场效应管的源极还通过第九电阻接地。进一步优选地，所述输入电压的频率≥1MHz。
优选地，所述第一电压跟随器及第二电压跟随器分别包括一个运放，所述两个运放的正向输入端分别通过所述的隔离电阻接入所述输入电压vi，两个运放的正向输入端还分别连接对应的可控开关，所述第一电压跟随器的运放的输出端与所述第二电压跟随器的运放的输出端用于输出所述输出电压Vo，其中，所述第一电压跟随器的输出端与对应运放的负向输入端相连接，所述第二电压跟随器的输出端与对应运放的负向输入端相连接。
优选地，所述微弱小信号精密整流系统还包括一减法器，所述第一电压跟随器的运放的输出端与所述减法器的负向输入端相连接，所述第二电压跟随器的运放输出端与所述减法器的正向输入端相连接，减法器的输出端用于输出所述输出电压Vo。
优选地，所述减法器包括第三运放，第三运放的正向输入端通过第十电阻与第二电压跟随器的运放的输出端相连接，第三运放的正向输入端还通过第十一电阻接地，第三运放的负向输入端通过第十二电阻与第一电压跟随器的运放的输出端相连接，第三运放的负向输入端还通过第十三电阻与第三运放的输出端相连接。进一步优选地，所述输入电压的频率<1MHz。
发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：通过过零比较器控制两个模拟开关，并利用高输入阻抗的电压跟随器实现对正电压信号与负电压信号的阻抗变换，最后正信号整流通路的电压跟随器输出相对于负信号整流通路的电压跟随器输出的电压就是一个完整的全波整流信号，从而实现了高频条件下的有效整流并对微弱信号进行有效处理，同时本发明的技术方案也能实现中低频条件下的有效整流。
附图说明
图1为现有技术中常用的二极管型整流电路示意图；
图2为现有技术中常用的单电源运放型整流电路示意图；
图3为本发明一种实施例提供的微弱小信号精密整流系统的结构框图；
图4为本发明一种微弱小信号精密整流系统中FET电压跟随器的电路结构图；
图5为本发明一种微弱小信号精密整流系统的电路结构组成示意图；
图6为本发明微弱小信号精密整流系统的高频电路整流波形示意图；
图7为本发明另一实施例提供的一种微弱小信号精密整流系统的电路结构组成示意图；
图8为本发明微弱小信号精密整流系统的中低频电路整流波形示意图
图中，10-过零比较器；20-模拟开关；30-第一电压跟随器；40-第二电压跟随器；21-第一可控开关；22-第二可控开关；50-减法器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图3所示，本发明的实施例提供了一种微弱小信号精密整流系统，所述微弱小信号精密整流系统包括过零比较器10，具有第一可控开关21和第二可控开关22的模拟开关20，第一电压跟随器30及第二电压跟随器40；
所述第一电压跟随器30及第二电压跟随器40分别通过一个隔离电阻接入需要整流的输入电压vi，所述第一电压跟随器30及第二电压跟随器40的输出端，用于形成整流后的输出电压Vo；
所述过零比较器10输入端接入所述输入电压vi，过零比较器10的正极性逻辑信号输出端与第一可控开关21的控制端相连接，过零比较器10的负极性逻辑信号输出端与第二可控开关22的控制端相连接；
所述第一可控开关21及第二可控开关22串联连接，第一可控开关21与第二可控开关22的连接端接地，第一可控开关21的另一端与第一电压跟随器30输入端相连接，第二可控开关22的另一端与第二电压跟随器30输入端相连接；
其中，
本实施例中，所述过零比较器10包括第一运放及第二运放，所述第一运放的负向输入端与第二运放的正向输入端相连接并接地，所述第一运放的正向输入端与第二运放的负向输入端分别用于接入所述输入电压vi，所述第一运放的输出端与第一可控开关21的控制端相连接，所述第二运放的输出端与所述第二可控开关22的控制端相连接。
作为本发明的第一种实施例，所述第一电压跟随器30及第二电压跟随器40分别为FET电压跟随器，所述第一可控开关21的另一端与第一电压跟随器30的栅极端相连接，所述第二可控开关22的另一端与第二电压跟随器40的栅极端相连接，第一电压跟随器30的源极端及第二电压跟随器40的源极端用于形成所述整流后的输出电压Vo。
如图4所示，所述FET电压跟随器包括一FET结型场效应管，FET结型场效应管的漏极连接一供电电源12V，FET结型场效应管的漏极还分别通过电容C3和电解电容C4接地，FET结型场效应管的漏极还依次串接可变电阻Rw、电阻Rg1、电阻Rg2后接地，FET结型场效应管的栅极通过一隔直电容C1接入输入信号，FET结型场效应管的栅极还连接有电阻Rg3，电阻Rg3的另一端与电阻Rg1及电阻Rg2的连接处相连接，所述FET结型场效应管的源极还通过电阻Rs接地。假设FET电压跟随器的静态漏极电流为IDQ，那么当输入信号为零时，输出电压为VSQ＝IDQRS。
结合图5所示，所述第一电压跟随器30包括第一FET结型场效应管，第一FET结型场效应管的漏极连接一供电电源，第一FET结型场效应管的漏极还分别通过第一电容C23和第一电解电容C24接地，所述第一FET结型场效应管的漏极还依次串接第一可变电阻Rw21、第二电阻Rg21、第三电阻Rg22后接地，所述第一FET结型场效应管的栅极通过第一隔直电容C21与第一可控开关21相连接，所述第一FET结型场效应管的栅极还连接有第四电阻Rg23，第四电阻Rg23的另一端与第二电阻Rg21及第三电阻Rg22的连接处相连接，所述第一FET结型场效应管的源极还通过第五电阻Rs21接地。
所述第二电压跟随器包括第二FET结型场效应管，第二FET结型场效应管的漏极连接一供电电源，第二FET结型场效应管的漏极还分别通过第二电容C13和第二电解电容C14接地，所述第二FET结型场效应管的漏极还依次串接第二可变电阻Rw11、第六电阻Rg11、第七电阻Rg12后接地，所述第二FET结型场效应管的栅极通过第二隔直电容C11与第二可控开关22相连接，所述第二FET结型场效应管的栅极还连接有第八电阻Rg13，第八电阻Rg13的另一端与第六电阻Rg11及第七电阻Rg12的连接处相连接，所述第二FET结型场效应管的源极还通过第九电阻Rs11接地。
本实施例的所述微弱小信号精密整流系统中，输入信号通过两个信号隔离电阻R1、R2分别发送给两个高输入阻抗FET电压跟随器，同时输入信号送到过零比较器中，分别获得正极性逻辑信号与负极性逻辑信号；极性逻辑信号(包括正极性逻辑与负极性逻辑)分别控制两个模拟开关，这两个模拟开关相连接的一端同时接到地，另一端分别接到高输入阻抗FET电压跟随器的栅极输入端；通过调节FET电压跟随器的静态工作点，使得两个FET电压跟随器的静态工作点相同(静态漏极电流相等)；两个跟随器输出之间的电压差作为整流输出结果。
本实施例中，当输入信号vi大于0的时候，过零比较器10的正极性逻辑输出高电平，负极性逻辑输出低电平；当输入信号vi小于0的时候，正极性逻辑输出低电平，负极性逻辑输出高电平。当正极性逻辑为高电平的时候，正信号整流通路的第一电压跟随器30输入被第一可控开关21强行拉低到地电平0；当负极性逻辑为高电平的时候，负信号整流通路的第二电压跟随器40输入被第二可控开关22强行拉低到地电平。利用高输入阻抗电压跟随器(FET或MOSFET分立器件的电压跟随器，输入有隔直电容，输出没有隔直电容)实现对正电压信号与负电压信号的阻抗变换，最后正信号整流通路的第一电压跟随器30输出相对于负信号整流通路的第二电压跟随器40输出的电压就是一个完整的全波整流信号。
下面描述以下本实施例中所述微弱小信号精密整流系统的工作原理，结合图3所示，当输入电压vi>0时，有过零比较器10的正极性逻辑为1，负极性逻辑为0，于是下面的第一可控开关21闭合，把下面的第一电压跟随器30的输入信号强行拉低到零，上面的第二可控开关22打开，上面的第二电压跟随器40的输入跟随输入信号为vi，此时，第一电压跟随器40的输出电压为VS1＝VSQ+vi，第二电压跟随器30的输出电压VS2＝VSQ。于是输出电压vo＝VS1-VS2＝vi；
当输入电压vi<0时，有过零比较器10的正极性逻辑为0，负极性逻辑为1，于是上面的第二可控开关22闭合，把上面的第二电压跟随器40的输入信号强行拉低到零，下面的第一可控开关21打开，下面的第一电压跟随器的输入跟随输入信号为vi，此时，上面第二电压跟随器40的输出电压为VS2＝VSQ+vi，下面第一电压跟随器30的输出电压VS1＝VSQ。于是输出电压vo＝VS1-VS2＝-vi。
于是有：
从而实现了整流的目的。
进一步地，为了说明本发明实施例中方案的可行性，搭建了如图5所示的高频仿真电路，过零比较器10中使用的TLV3502超快速电压比较器，相应时间可达到4.5ns；模拟开关20使用的MAX14761具有低导通电阻(小于1Ω)，最高带宽达到100MHz的控制芯片；第一电压跟随器30及第二电压跟随器40使用的FET为具有双管低噪声低漂移的U401(U401～U406都可以，这里优选用U401)；当输入信号为100uV/5MHz的正弦波时，其输出波形如图6所示。
作为本发明的第二种实施例，如图7所示，如果用户的信号频率不高(KHz级)，所述第一电压跟随器30及第二电压跟随器40分别包括一个运放，所述两个运放的正向输入端分别通过所述的隔离电阻接入所述输入电压vi，两个运放的正向输入端还分别连接对应的可控开关，所述第一电压跟随器的运放的输出端与所述第二电压跟随器的运放的输出端用于输出所述输出电压Vo，其中，所述第一电压跟随器的输出端与对应运放的负向输入端相连接，所述第二电压跟随器的输出端与对应运放的负向输入端相连接。
进一步地，为了进一步增强电路的操作便利性，所述微弱小信号精密整流系统还包括一减法器50，所述第一电压跟随器30的运放的输出端与所述减法器50的负向输入端相连接，所述第二电压跟随器40的运放输出端与所述减法器50的正向输入端相连接，减法器的输出端用于输出所述输出电压Vo。
结合图7所示，当输入电压vi>0时，有过零比较器10的正极性逻辑为高电平，负极性逻辑为低电平，于是第一可控开关21闭合，把下面的第一电压跟随器30的输入信号强行拉低到零，上面的第二可控开关22打开，上面的第二电压跟随器40的输入跟随输入信号为vi，其输出也为vi，下面第一电压跟随器30电压输出为0，于是减法器50的输出电压vo＝vi；
当输入电压vi<0时，有过零比较器10的正极性逻辑为低电平，负极性逻辑为高电平，于是第二可控开关22把上面的第二电压跟随器40的输入信号强行拉低到零，下面的第一可控开关21打开，下面的第一电压跟随器30的输入跟随输入信号为vi，此时，第一电压跟随器30输出电压为vi，第二电压跟随器输出电压为0。于是减法器50的输出电压vo＝-vi。
于是有：
从而实现了整流的目的。
为了说明本发明上述实施例方案的可行性，结合图5高频仿真电路，过零比较器10采用型号为TLV3502超快速芯片，相应时间可达到4.5ns；模拟开关使用信号为MAX14761具有低导通电阻(小于1Ω)，最高带宽达到100MHz的芯片；FET电压跟随器中使用的FET为具有双管低噪声低漂移的U401(U401～U406都可以，这里选用U401)；当输入信号为100uV/5MHz的正弦波时，其输出波形如图6所示。
如果用户的信号频率不高，如图7所示，电压跟随器用普通运放就可以，后面整流信号可以直接用两个跟随器的相对电压，进一步地可以通过一个运放进行加减运算，图中利用低失调电压OP07搭建起来的中低频电路，使用的电压比较器为普通的LM311，响应时间可以达到200ns；使用的模拟开关CD4066导通电阻小于1KΩ，频率响应可达40MHz；当输入信号为100mV/50KHz的正弦波时，图8为其输出波形结果。
本发明的技术方案，不仅大大提高处理信号的频率(1MHz以上)，同时对于微弱信号也可以获得很好的整理处理。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和较理想的实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述微弱小信号精密整流系统包括过零比较器，具有第一可控开关和第二可控开关的模拟开关，第一电压跟随器及第二电压跟随器；
所述第一电压跟随器及第二电压跟随器分别通过一个隔离电阻接入需要整流的输入电压vi，所述第一电压跟随器及第二电压跟随器的输出端，用于形成整流后的输出电压Vo；
所述过零比较器输入端接入所述输入电压vi，正极性逻辑信号输出端与第一可控开关的控制端相连接，负极性逻辑信号输出端与第二可控开关的控制端相连接；
所述第一可控开关及第二可控开关串联连接，第一可控开关与第二可控开关的连接端接地，第一可控开关的另一端与第一电压跟随器输入端相连接，第二可控开关的另一端与第二电压跟随器输入端相连接；
其中，
V O = | v i | = v i v i &GreaterEqual; 0 - v i v i < 0 .
2.根据权利要求1所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述过零比较器包括第一比较器及第二比较器，所述第一比较器的负向输入端与第二比较器的正向输入端相连接并接地，所述第一比较器的正向输入端与第二比较器的负向输入端分别用于接入所述输入电压vi，所述第一比较器的输出端与第一可控开关的控制端相连接，所述第二比较器的输出端与所述第二可控开关的控制端相连接。
3.根据权利要求1所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述第一电压跟随器及第二电压跟随器分别为FET电压跟随器，所述第一可控开关的另一端与第一电压跟随器的栅极端相连接，所述第二可控开关的另一端与第二电压跟随器的栅极端相连接，第一电压跟随器的源极端及第二电压跟随器的源极端用于形成所述整流后的输出电压Vo。
4.根据权利要求3所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述第一电压跟随器包括第一FET结型场效应管，第一FET结型场效应管的漏极连接一供电电源，第一FET结型场效应管的漏极还分别通过第一电容和第一电解电容接地，所述第一FET结型场效应管的漏极还依次串接第一可变电阻、第二电阻、第三电阻后接地，所述第一FET结型场效应管的栅极通过第一隔直电容与第一可控开关相连接，所述第一FET结型场效应管的栅极还连接有第四电阻，第四电阻的另一端与第二电阻及第三电阻的连接处相连接，所述第一FET结型场效应管的源极还通过第五电阻接地。
5.根据权利要求3所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述第二电压跟随器包括第二FET结型场效应管，第二FET结型场效应管的漏极连接一供电电源，第二FET结型场效应管的漏极还分别通过第二电容和第二电解电容接地，所述第二FET结型场效应管的漏极还依次串接第二可变电阻、第六电阻、第七电阻后接地，所述第二FET结型场效应管的栅极通过第二隔直电容与第二可控开关相连接，所述第二FET结型场效应管的栅极还连接有第八电阻，第八电阻的另一端与第六电阻及第七电阻的连接处相连接，所述第二FET结型场效应管的源极还通过第九电阻接地。
6.根据权利要求1所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述第一电压跟随器及第二电压跟随器分别包括一个运放，所述两个运放的正向输入端分别通过所述的隔离电阻接入所述输入电压vi，两个运放的正向输入端还分别连接对应的可控开关，所述第一电压跟随器的运放的输出端与所述第二电压跟随器的运放的输出端用于输出所述输出电压Vo，其中，所述第一电压跟随器的输出端与对应运放的负向输入端相连接，所述第二电压跟随器的输出端与对应运放的负向输入端相连接。
7.根据权利要求6所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述微弱小信号精密整流系统还包括一减法器，所述第一电压跟随器的运放的输出端与所述减法器的负向输入端相连接，所述第二电压跟随器的运放输出端与所述减法器的正向输入端相连接，减法器的输出端用于输出所述输出电压Vo。
8.根据权利要求7所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述减法器包括第三运放，第三运放的正向输入端通过第十电阻与第二电压跟随器的运放的输出端相连接，第三运放的正向输入端还通过第十一电阻接地，第三运放的负向输入端通过第十二电阻与第一电压跟随器的运放的输出端相连接，第三运放的负向输入端还通过第十三电阻与第三运放的输出端相连接。
9.根据权利要求5所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述输入电压的频率≥1MHz。
10.根据权利要求8所述的微弱小信号精密整流系统，其特征在于：所述输入电压的频率<1MHz。
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