模擬電路如何高效有效值直流轉換

有效值(rms)衡量交流信號的幅度。從實用角度定義，交流信號的有效值等于以同一負載產生同等熱量所需的直流量。從數學角度定義，電壓有效值為信號求平方、求平均值，然后取其平方根所獲得的值。取平均值的時間必須足夠長，以便能在所需的最低工作頻率進行濾波。我們將通過一些例子來說明模擬電路如何高效實現該功能。

第一種方法稱為直接顯式法(explicit)，如圖1所示。輸入信號首先由模擬乘法器求平方，然后采用適當的濾波器取平均值，再通過反饋環路中具有第二個平方器的運算放大器取其平方根。該電路動態范圍有限，因為平方器之后的各級必須嘗試處理幅度變化很大的信號。這會限制此方法，使輸入最大動態范圍約為10:1 (20 dB)。但是，如果可以使用AD834之類的乘法器作為構建模塊，就可以實現出色的帶寬(100 MHz以上)和高精度(見圖2)。

圖1：直接顯式(Explicit)有效值計算

圖2：用AD834模擬乘法器進行寬帶有效值測量

圖3顯示采用隱式法計算信號有效值的電路。此處，輸出反饋至AD734等乘法器的直接分頻輸入。在該電路中，乘法器的輸出隨輸入的有效值呈線性變化(而非呈平方變化)。與顯式電路相比，這種隱式電路明顯擴大了輸入的動態范圍。如果輸入先流過絕對值電路，VIN2/VZ電路可由電流驅動，且只需要一個象限。隱式有效值直流法的缺點在于其帶寬通常小于顯式計算

圖3：隱式(Implicit)有效值計算

這種有效值電路可以采用AD734模擬乘法器構建，若使用專用的有效值直流電路則更加簡單。圖4顯示典型單芯片有效值直流轉換器AD536A的簡單示意圖。

圖4：AD536A單芯片有效值直流轉換器

該圖分為四個主要部分：絕對值電路(有源整流器)、平方器/除法器、電流鏡，以及緩沖放大器。輸入電壓VIN可以為交流或直流，由絕對值電路A1、A2轉換為單極性電流I1。I1驅動一象限平方器/除法器的一路輸入，傳遞函數為：I4 = I12/I3。平方器/除法器的輸出電流I4驅動電流鏡，通過由R1和外接電容CAV構成的低通濾波器。如果R1CAV時間常數遠遠大于輸入信號的最長周期，則I4可以有效取平均值。電流鏡返回的電流I3等于AVG[I4]，回到平方器/除法器，以完成隱式有效值計算。因此：

I4 = AVG [I12/I4] = I1rms 公式 1

電流鏡還會產生輸出電流Iout，相當于2I4。Iout可以直接使用，或通過R2轉換為電壓，然后由A4緩沖，產生低阻抗電壓輸出。傳遞函數變為：

Vout = 2R2•Irms = VIN rms 公式2

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