Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 43 Активные выпрямители и амплитудные детекторы на ОУ
.doc43 Активные выпрямители и амплитудные детекторы на базе ОУ
Под выпрямлением аналогового сигнала понимается нелинейная операция над ним, при которой все его текущие значения на выходе схемы выпрямления при одной из его полярностей воспроизводятся неискаженно, а при другой – не воспроизводятся вообще, т. е. отсекаются. Передаточная характеристика идеальной схемы однополупериодного выпрямления приведена на рисунке 1а. В этой схеме при любых положительных входных uвх(t) потенциалах дифференциальный коэффициент передачи К ' имеет ненулевое и постоянное значение и равен нулю – при отрицательных (рисунок 1б). В идеальной схеме выпрямления область перехода от состояния передачи сигнала (состояния, когда К ' 0) к состоянию его отсечки (К '= 0) имеет бесконечно малую протяженность и приходится на начало координат сквозной передаточной характеристики (рисунок 1а). В результате этого с помощью такой схемы можно осуществлять операцию эффективного и неискаженного выпрямления сигналов любого уровня, в том числе и сигналов очень малой интенсивности.
Рисунок 1. Передаточная характеристики идеального выпрямителя
Реальные схемы выпрямления указанными свойствами не обладают. Они способны эффективно выпрямлять лишь сигналы относительно большого уровня. Связано это с тем, что в реальных схемах выпрямления область перехода от состояния К '= 0 к состоянию К ' 0 имеет вид плавно изменяющейся функции. Так, например, для диодных структур, организованных на базе кремния или германия, даже в условиях создания в них дополнительных начальных токов, протяженность переходной области по оси входных сигналов составляет десятки и даже сотни милливольт. Только при значениях сигнальных напряжений, существенно больших протяженности этой переходной области, можно пренебречь плавностью перехода, представив передаточную функцию в виде рисунка 1а.
Свойствами эффективного выпрямления сигналов малого уровня обладают схемы, организованные на основе ОУ. Такие схемы можно назвать активными выпрямителями. Одна из распространенных схем активного выпрямителя приведена на рисунке 2. Рассмотрим ее работу.
Рисунок 2. Активный выпрямитель на базе ОУ
Схема организована на базе инвертирующего включения ОУ. В ней ООС действует, как при положительных, так и при отрицательных значениях входного сигнала uвх(t).
При положительных значениях этого сигнала, т. е. когда uвх(t) > 0, а uвых(t) < 0, цепь обратной связи замыкается через прямосмещенный диод VD1. При этом входной ток iR1 = uвх(t) / R1 протекает через резистор R2 (iR2 = iR1). В условиях действия глубокой ООС потенциал uа(t) 0, в результате этого uвых(t) = uR2(t) = iR2 R2 = uвх(t) R2 / R1. Из последнего следует, что в рассматриваемых условиях коэффициент передачи К '0 схемы не зависит от уровня сигнала и равен R2/R1. В результате чего положительная фаза входных сигнальных изменений воспроизводится на выходе неискаженно только в измененном масштабе и сменой полярности изменений на противоположную.
При отрицательных значениях входного сигнала, т. е. когда uвх(t) ,< 0, а uвых(t) > 0, петля обратной связи замыкается через прямосмещенный диод VD2. В этих условиях напряжение на выходе схемы uвых(t) практически равно нулю. Объясняется это тем, что левый по схеме на рисунке 2 вывод резистора R2 подсоединен к точке нулевого потенциала, а диод VD1 закрыт положительным потенциалом, поступающим с выхода ОУ. Динамическое сопротивление закрытого диода по сравнению с сопротивлением R2 велико, в результате чего прохождение сигнала с выхода ОУ на выход схемы практически отсутствует.
Рассмотренная схема выпрямления способна обеспечить эффективное выпрямление знакопеременных сигналов не только высокого уровня (0,1 В и более), но и даже весьма низкого, со значением порядка 1 мВ.
К основному фактору, мешающему успешному выпрямлению сигналов более низкого уровня, следует отнести возможное ненулевое значение напряжения Uошвх статической ошибки, из-за не нулевого значения которой происходит сдвиг нулевой точки графика на рисунке 1а по оси входных напряжений на значение Uошвх.
Рассмотренные активные выпрямители могут быть преобразованы в высокочувствительные схемы детектирования амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов за счет включения в них дополнительных фильтрующих цепей и конденсаторов. С помощью этих цепей и конденсаторов, осуществляющих как фильтрацию, так и усреднение выпрямленного напряжения за период несущей детектируемого колебания. Организованная таким образом схема (схема амплитудного детектора) вырабатывает на своем выходе медленно изменяющие сигналы, пропорциональные текущим значениям средневыпрямленного радиочастотного напряжения.