2.4. Прецизионные выпрямители

В измерительных схемах и системах передачи информации зачастую необходимо определить модуль переменного сигнала. При невысоких требованиях к точности и больших уровнях сигнала могут быть использованы обычные выпрямители на диодах. При этом погрешность преобразования определяется главным образом прямым падением напряжения на диодах. При необходимости прецизионного выпрямления малых сигналов используются схемы с ОУ.

На рис. 2.7 изображен пример двухполупериодного выпрямителя для измерения среднего абсолютного значения. ОУ служит в качестве управляемого источника тока, пропорционального входному напряжению. Таким образом, ток через измерительный прибор не зависит от падения напряжения на диодах: I = |U_вх|/R. Усреднение пульсирующего тока происходит за счет механической инерционности подвижной системы прибора.

П ри перемене знака U_вх выходное напряжение ОУ скачком преодолевает зону нечувствительности, равную удвоенному падению напряжения на диоде. В течение этого времени отрицательная обратная связь разорвана, что может привести к самовозбуждению. Рекомендуется использовать ОУ с высокой скоростью переключения.

Н агрузка в схеме рис. 2.7 не заземлена. При использовании измерительного прибора это не принципиально, но если сигнал подлежит последующей обработке, необходим выпрямитель с заземленной нагрузкой. Примеры таких выпрямителей приведены на рис. 2.8.

Схема рис. 2.8, а иллюстрирует построение выпрямителя с заземленной нагрузкой на одном ОУ. Пусть U_вх < 0, тогда диод V1 открыт, диод V2 закрыт. ОУ включен в режиме инвертирующего усилителя. U_вых = – U_вх R₃/R₁. Выходное сопротивление R_вых в этом режиме практически равно нулю.

При U_вх > 0 диод V2 открыт, диод V1 закрыт. За счет отрицательной обратной связи через диод V2 потенциал инвертирующего входа ОУ поддерживается равным нулю, при этом напряжение на выход поступает через делитель R1, R2. В отсутствие нагрузки U_вых = U_вх R₂/(R₁ + R₂). При этом R_вых = R₃ + R₁R₂/(R₁ + R₂).

Чтобы коэффициент передачи модуля сигнала не зависел от полярности, необходимо выполнить соотношение R₃/R₁ = R₂/(R₁ + R₂). А при выполнении условий R₁ << R₂ и R₁ = R₃ можно практически считать, что U_вых = |U_вх|. Недостатком схемы является зависимость выходного сопротивления от полярности входного сигнала.

Наилучшими характеристиками обладают прецизионные выпрямители на двух ОУ, сочетающие высокую точность и низкое значение R_вых во всех режимах.

В схеме рис. 2.8, б при U_вх < 0 диод V1 закрыт, диод V2 открыт. Потенциалы инвертирующих входов обоих ОУ равны нулю. Поэтому резисторы R2 и R4 и ОУ А1 не участвуют в передаче сигнала. U_вых = – U_вх R₅/R₃. При U_вх > 0 диод V1 открыт, диод V2 закрыт. За счет замыкания обратной связи через диод V1 ОУ A1 работает в режиме инвертирующего усилителя, напряжение на аноде диода V1 равно – U_вх R₂/R₁. Выходной ОУ А2 включен по схеме сумматора, поэтому выходное напряжение

Видно, что при выполнении условия R₂R₃ = 2R₁R₄ для любой полярности входного напряжения U_вых = |U_вх|·R₅/R₃.

Схема рис. 2.8, в интересна тем, что требует всего двух точных резисторов: R1 и R3. Когда входное напряжение положительно, оно через резистор R2 проходит на вход повторителя, выполненного на ОУ А2; таким образом, U_вых = U_вх. При этом диод V2 закрыт и ОУ А1 не влияет на выходное напряжение. При отрицательном входном напряжении диод V2 открывается, отрицательная обратная связь замыкается через ОУ А2 и резистор R3. Тогда U_вых = – U_вхR₃/R₁. Если R₁ = R₃, то U_вых = |U_вх|.