11.3. Прецизионные однополупериодные выпрямители

Четыре схемы однополупериодных выпрямителей на рис. 11.31 отличаются друг от друга передаваемой полуволной входного сигнала (положительной или отрицательной) и знаком коэффициента передачи (инвертирующие- и неинвертирующие). Неинвертирующие однополупериодные выпрямители имеют более высокое входное сопротивление, чем инвертирующие.

Рис. 11.31. Однополупериодные выпрямители.

В инвертирующем выпрямителе диод VD₂ открывается на соответствующей полуволне входного сигнала, обеспечивая его передачу на выход с коэффициентом, определяемым отношением резисторов R1 и R2, диод VD1 при этом смещен в обратном направлении. Неинвертирующий выпрямитель при передаче полуволны работает примерно так же, однако их функционирование в режиме отсечки существенно различается.

Как в неинвертирующем, так и в инвертирующем выпрямителях диод VD1 введен для повышения их быстродействия. Если исключить диод, то в режиме отсечки ОУ входит в состояние насыщения. Следовательно, при переходе в режим пропускания, ОУ должен сначала выйти из насыщения, а затем его выходное напряжение будет достаточно долго нарастать до уровня открывания диода VD2. Введение диода VD1 предотвращает насыщение ОУ и ограничивает перепад его выходного напряжения при смене полярности входного сигнала. В неинвертирующей схеме диод VD1 обеспечивает ограничение выходного напряжения ОУ за счет замыкания его выхода на землю, поэтому ОУ должен допускать короткое замыкание на выходе в течение неограниченного времени при максимальной рабочей температуре. Кроме того, в неинвертирующей схеме ОУ должен иметь большое допустимое дифференциальное входное напряжение и малое время восстановления из режима ограничения выходного тока.

Подключение к выходу схемы конденсатора превращает ее в простой пиковый детектор. После детектирования импульса выходное напряжение экспоненциально спадает с постоянными времени:

для инвертирующего варианта

для неинвертирующего варианта

где С_н - емкость подключаемого конденсатора,

R_Н - сопротивление нагрузки.

11.4. Двухполупериодные выпрямители

Двухполупериодный выпрямитель на одном ОУ

Схема двухполупериодного выпрямителя показана на рис. 11.32.

Рис. 11.32. Двухполупериодный выпрямитель на одном ОУ.

При положительном входном сигнале диод VD1 открыт, a VD2 закрыт. Из-за наличия диода VD1 потенциал инвертирующего входа равен нулю. Выходное напряжение схемы определяется делителем, верхнее плечо которого состоит из резистора R3, а нижнее - из параллельно включенных R2 и сопротивления нагрузки R_Н. При отрицательном входном сигнале диод VD2 открыт, a VD1 закрыт. Теперь схема действует как неинвертирующий усилитель. При разнополярном сигнале схема попеременно действует то как делитель, то как неинвертирующий усилитель.

Достоинства	Недостатки
Используется только один ОУ	Малое входное сопротивление, причем разное дляположительных и отрицательных сигналов. Выходное сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки влияют на характеристики выпрямителя. Не допускается реактивная нагрузка (емкость). Требуются три согласованных резистора. Входной сигнал ослабляется.

Коэффициент передачи.

Для положительного сигнала:

Для отрицательного сигнала:

Для того, чтобы

необходимо соблюдение условий:

или

Входное сопротивление.

Для положительного сигнала:

Для отрицательного сигнала:

Время переключения из инвертирующего в неинвертирующий режим:

где U_D - прямое напряжение на диоде и V_UВЫХ - скорость нарастания выходного напряжения ОУ (мы пренебрегли временем переключения диодов и влиянием паразитных емкостей).

Данную схему рекомендуется применять с низкоомными источниками сигналов и высокоомными нагрузками. В противном случае возникают погрешности коэффициента передачи и различия его для положительных и отрицательных полуволн сигнала. Если R3 = R2 = R1/2, то коэффициент передачи схемы составит 1/2. При этом можно использовать интегральную сборку согласованных резисторов, причем R3 = R2, a R1 состоит из двух параллельно включенных сопротивлений того же номинала.

Двухполупериодный выпрямитель с токовым выходом

Показанная на рис. 11.33 схема состоит из ОУ с двухполупериодным выпрямителем в цепи обратной связи.

Рис. 11.33. Двухполупериодный выпрямитель с токовым выходом.

Мостовая схема выпрямляет обе полуволны входного сигнала, выпрямленный ток протекает при этом через незаземленную нагрузку R_Н. Резистор R1 определяет величину выпрямленного выходного тока. Согласования резисторов не требуется, а для изменения коэффициента передачи можно варьировать сопротивление резистора R₁.

Входное сопротивление равно входному сопротивлению ОУ для син­фазного сигнала.

Выходной ток:

Время переключения:

где V_UВЫХ — скорость нарастания выходного напряжения ОУ и U_D - прямое напряжение на диоде.

Максимальный ток нагрузки не должен приводить к насыщению ОУ, т.е.

где Z_H - импеданс нагрузки,

U_НАС - напряжение насыщения ОУ.

Двухполупериодный выпрямитель с токовым входом

В схеме, показанной на рис. 11.34, при отрицательных входных токах диод VD₂ открыт, а диод VD₁ закрыт.

Рис. 11.34. Двухполупериодный выпрямитель с токовым входом.

При положительных входных токах диоды меняются ролями, и ОУ работает как повторитель напряжения. Чтобы коэффициенты передачи были одинаковыми для положительных и отрицательных входных токов, сопротивления резисторов R1 и R2 должны быть равны.

Двухполупериодный выпрямитель на двух ОУ с минимальным числом элементов

Эта схема (рис. 11.35) состоит из усилителя с переключаемым коэффициентом передачи на ОУ А1 и активного ограничителя на ОУ А2. При положительных входных напряжениях ОУ А2 не влияет на работу схемы, так как диод VD1 заперт. При этом ОУ А1 работает повторителем вход­ного сигнала. Выходное напряжение ОУ А2 ограничивается диодом VD2 на небольшом отрицательном уровне. При отрицательном входном сигнале диод VD1 открывается, потенциал неинвертирующего входа ОУ А1 устанавливается равным нулю и ОУ А1 превращается в инвертирующий усилитель.

Рис. 11.35. Двухполупериодный выпрямитель на двух ОУ.

Достоинства	Недостатки
Небольшое число внешних элемен­тов. Низкое выходное сопротивление (определяется ОУ А1). Требуется только одна пара согла­сованных резисторов.	Фиксированный коэффициент передачи (1). Малое входное сопротивление, разное для отрицательных и положительных входных сигналов. Большое время переключения при изменении полярности входного сигнала

Коэффициент передачи.

Для положительных сигналов:

Для отрицательных сигналов:

Необходимое условие равенства коэффициентов передачи для положи­тельных и отрицательных входных сигналов :

R1 = R2 .

Входное сопротивление.

Для положительных полуволн равно входному сопротивлению А1 для синфазных сигналов.

Для отрицательных полуволн:

Входное сопротивление зависит от полярности входного сигнала и достаточно мало для отрицательных напряжений. Следовательно, при работе с высокоомными источниками сигналов возникают не только погрешности коэффициента передачи, но и разница в усилении положительных и отрицательных сигналов. Сопротивление резистора R3 обычно выбирают равным 1/2R1, но его не требуется тщательно согласовывать.

Универсальный двухполупериодный выпрямитель

Приведенная на рис. 11.36 схема представляет из себя хороший выпрямитель общего назначения с высоким входным и малым выходным сопротивлениями, и при единичном коэффициенте передачи для нее требуется только одна пара согласованных резисторов.

Рис. 11.36. Универсальный двухполупериодный выпрямитель.

При положительных входных сигналах диод VD1 закрыт, а диод VD2 открыт. Схема охвачена общей обратной связью через резисторы R1, R2 и R3. Напряжение на инвертирующем входе ОУ А1 за счет действия обратной связи поддерживается равным U_ВХ, что и определяет выходное напряжение схемы. При отрицательных входных сигналах диод VD1 открыт, a VD2 - закрыт. Теперь ОУ А1 действует как повторитель, а ОУ A2 - как инвертор с коэффициентом передачи, равным R2/R1.

Достоинства	Недостатки
Высокое входное сопротивление. Низкое выходное сопротивление, некритичность к параметрам нагрузки. При единичном коэффициенте передачи требуется только одна пара согласованных резисторов (при R3 = )•	При некоторых коэф­фициентах передачи может потребоваться частотная коррекция с помощью конденсатора CКОМП

Коэффициент передачи

Для положительных сигналов:

Для отрицательных сигналов:

Соотношение между резисторами:

При положительных входных сигналах оба усилителя охвачены общей петлей обратной связи. Это может привести к потере устойчивости, и для частотной коррекции может потребоваться конденсатор C_КОМП. Обычно емкость конденсатора Скомп составляет около 100пФ.

Если R3 равном бесконечности (т.е. отсутствует в схеме) и R1 = R2, схема имеет единичный коэффициент передачи, и необходимо согласование только резисторов R1 и R2.

Двухполупериодный выпрямитель с суммированием токов

В схеме, представленной на рис. 11.37, при положительных входных сигналах диод VD1 открыт, a VD2 - закрыт. При этом ОУ А1 работает как инвертор. ОУ A2 тоже действует как инвертор, и его неинвертирующий вход через резистор R3 присоединен к виртуальной земле (точка X).

Рис. 11.37. Двухполупериодный выпрямитель с суммированием токов.

При отрицательных входных сигналах диод VD1 закрыт, а диод VD2 открыт. В этом случае ОУ А1 действует как инвертор, выходное напряжение которого подается на неинвертируюдщй вход ОУ А2, общий коэффициент передачи при этом отрицательный.

Достоинства	Недостатки
Сложение токов в точке X позволяет суммировать несколько сигналов. Низкое выходное сопротивление ОУ А2 допускает подключение различных нагрузок	Требуются несколько согласованных резисторов.

Коэффициент передачи.

Для положительных сигналов:

Для отрицательных сигналов:

Соотношение между резисторами;

Эта схема позволяет суммировать несколько сигналов, так как в точке X входные токи складываются. Обычно R2 = R3 = R4 = R5 = R, (что обеспечивает коэффициент передачи схемы R/R1. Вместо четырех одинаковых резисторов можно использовать интегральную сборку, а коэффициент передачи устанавливать резистором R1,

Общие рекомендации по схемам выпрямителей

Постоянные смещения в схемах можно устранить балансировкой ОУ. Однако уменьшение смещений ОУ до нуля не обеспечивает минимума общего смещения по постоянному току, так как оно зависит еще и от напряжений переключения диодов, а не только от разбаланса ОУ. Диоды переключаются тогда, когда ток через них равен нулю, а ток диода состоит из токов утечки и входного тока ОУ. Таким образом, ОУ необходимо балансировать по нулевому напряжению на выходе схемы в моменты, когда входной сигнал переходит через нуль. В схемах с двумя ОУ регулировку необходимо производить одновременно, так как регулировки смещения одного из них будут влиять на погрешности смещения другого.

Для повышения быстродействия лучше использовать резисторы небольших номиналов, так как в этом случае перезаряд емкостей диодов и паразитных емкостей происходит быстрее. При этом снижаются и погрешности, связанные с входными токами и утечками.

Если важным параметром схемы является ее быстродействие, необходимо выбирать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного напряжения. Высокая скорость нарастания требуется для того, чтобы переход от прямого смещения одного или нескольких диодов к прямому смещению других диодов происходил как можно быстрее.

В моменты переключения сигнала от одной полярности к другой все диоды закрыты и ОУ работает с разомкнутой петлей обратной связи. Пока ОУ находится в таком режиме, для повышения его быстродействия можно отключать частотную коррекцию; при этом скорость нарастания выходного напряжения ОУ увеличивается, что сокращает время переключения. Для этого в схеме выпрямителя лучше использовать такой ОУ, корректирующий конденсатор которого включается между выходом ОУ и внешним выводом коррекции. Для отключения корректирующего конденсатора C_K в схему вводятся дополнительные диоды таким образом, чтобы конденсатор подключался к ОУ только тогда, когда он необходим для обеспечения устойчивости, но не при переходных процессах. На рис. 11.38 показана схема включения дополнительных диодов и корректирующих конденсаторов в инвертирующем однополупериодном выпрямителе.

Рис. 11.38. Отключение частотной коррекции для увеличения скорости нарастания.

Если выходное напряжение выпрямителя должно быть отрицательным, то один из способов добиться этого состоит в одновременном изменении полярности включения всех диодов в схеме. Этот способ применим для всех вышеописанных устройств.

В большинстве схем выпрямителей используются маломощные импульсные или универсальные диоды, например IN4148. В прецизионных схемах, где критичны погрешности смещения и обратные токи диодов, применяются диоды со сверхмалым током утечки, например ID101, или полевые транзисторы в диодном включении, например 2N4117A. Для быстродействующих выпрямителей лучше использовать диоды с барьером Шоттки, так как они имеют малое прямое падение напряжение - около 0,4В (крем­ниевые диоды с р-n-переходом - около 0,7В). Следовательно, перепад выходного напряжения ОУ при переключении диодов уменьшается. Помните, однако, что некоторые диоды Шоттки имеют низкое допустимое обратное напряжение (менее 10В).