Меню

Прецизионный выпрямитель однополярное питание

Двухполупериодный активный выпрямитель без диодов

Anthony H. Smith

Двухполупериодный выпрямитель можно сделать, не используя ни одного диода, если воспользоваться способностью некоторых операционных усилителей с однополярным питанием эффективно ограничивать сигнал на уровне земли при отрицательном напряжении на входе. Схема состоит из повторителя с единичным усилением (IC1a) и второго каскада (IC1b), на который поступает выходной сигнал повторителя VO и инвертированный входной сигнал VIN (Рис. 1). Напряжение VOUT на выходе схемы определяется следующим выражением:

Во время положительной полуволны входного сигнала повторитель передает входной сигнал так, что VO = VIN. Поэтому VOUT = (1 + K)VIN – KVIN = VIN.

Рисунок 1. Для двухполупериодного выпрямителя нужно всего лишь два операционных усилителя,
несколько резисторов, и ни одного диода.

Во время отрицательной полуволны входного сигнала выход повторителя «насыщается землей», отчего VO = 0. Поэтому VOUT = – KVIN. Выбрав R2 = R3, чтобы K = 1, получим VOUT = – VIN, т.е. схема будет инвертировать входной сигнал. Поэтому, если сигнал на входе симметричен относительно земли, сквозная передаточная функция будет иметь вид VOUT = |VIN|.
Важно, чтобы операционный усилитель был способен без повреждения воспринимать отрицательные сигналы, и не реверсировал при этом фазу. Диапазон допустимых входных напряжений должен включать землю. При отрицательном входном напряжении резистор R1 ограничивает входной ток на безопасном уровне порядка 10 мА. При отсутствии R1, неинвертирующий вход микросхемы может быть поврежден большим отрицательным напряжением.

Операционный усилитель должен иметь достаточное быстродействие, чтобы успевать восстанавливаться после «насыщения землей» к моменту, когда входной сигнал переходит в положительную область. В противном случае будет происходить искажение выходного сигнала, особенно заметное на высоких частотах. Используемый операционный усилитель имеет структуру Rail-to-Rail, размах выходного напряжения ограничен только величиной напряжения на положительной шине питания VS.

Схема будет не только выпрямлять, но и усиливать сигнал, если добавить в нее два резистора R4 и R5 (Рис. 2). Отношение R4 к R5 находят из следующего выражения:

где K (= R3/R2) – требуемое сквозное усиление схемы.

Рисунок 2. Схема будет усиливать сигнал, если добавить в нее два резистора R4 и R5.

К примеру, если вы хотите получить коэффициент усиления 10, необходимо чтобы R3 = 10×R2, и R4/R5 = 9/11 = 0.818.

Осциллограмма показывает реакцию схемы на синусоидальный сигнал частотой 10 кГц при следующих номиналах компонентов, обеспечивающих коэффициент усиления 10:
R2 = 3.3 кОм, R3 = 33 кОм, R4 = 8.2 кОм и R5 = 10 кОм (Рис. 3).

Рисунок 3. Осциллограмма показывает реакцию схемы на синусоидальный сигнал частотой 10 кГц (коэффицент усиления = 10) (20 мкс/дел.).
Верний луч отбражает входной сигнал (200 мВ/дел.), а нижний — выходной (2 В/дел.).

Сопротивление входного резистора R1 – 10 кОм, напряжение питания (VS) равно 5 В, а в качестве IC1 выбран сдвоенный операционный усилитель OPA2374 производства Texas Instruments. Амплитуда входного сигнала 400 мВ, а выходной сигнал изменяется в пределах от 0 до 4 В.

Читайте также:  Правильное питание кунжутное масло

Помните, что входной сигнал должен быть симметричен относительно земли. Если входное напряжение имеет постоянную составляющую, выпрямитель необходимо дополнить разделительным конденсатором на входе.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

ПРЕЦИЗИОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ОУ в устройствах на микросхемах

Прецизионные или высокоточные выпрямители, в отличие от диодных выпрямителей, идеально выполняют функцию выпрямления: один из полупериодов без искажений присутствует на выходе устройства, другой практически незаметен. Есть и еще одно существенное отличие: амплитуда выходного сигнала прецизионного выпрямителя может превышать амплитуду входного, к тому же ее можно регулировать.

Прецизионные или идеальные выпрямители на основе ОУ могут быть выполнены по схемам, представленным на рис. 15.1 и рис. 15.2 [15.1— 15.3]. На выходе первого из них (рис. 15.1) формируются сигналы отрицательной полярности, второго (рис. 15.2) — положительной. Напряжения, снимаемые с выходов выпрямителя, отличаются на величину падения напряжения на открытом кремниевом диоде (0,6—0,7 В). Для германиевых диодов эта разница близка к 0,25—0,3 В.

Прецизионные неинвертирующие выпрямители (рис. 15.3 и 15.4) на основе ОУ имеют более высокое входное сопротивление.

Выпрямитель на ОУ, схема которого представлена на рис. 15.5, обеспечивает эквивалентное снижение падения прямого напряжения на выпрямительных диодах до 1000 раз. Это существенно повышает точность преобразования и позволяет детектировать сигналы с амплитудой в несколько милливольт [15.4]. Частотные свойства детектора (выпрямителя) определяются свойствами ОУ, диодов VD1 и VD2.

Однополупериодные выпрямители достаточно просты, однако им присущи явно выраженные недостатки:

Рис. 15.5. Схема выпрямителя на ОУ с выходами положительного и отрицательного уровня

♦ возможность полезного использования лишь одного полупериода входного напряжения;

♦ необходимость использования ОУ с защитой от короткого замыкания нагрузки и т. д.

Более совершенны двухполупери- одные выпрямители. Схемы таких выпрямителей, работающих с неза- земленной и заземленной нагрузкой, приведены на рис. 15.6—15.11 [15.3].

Рис. 15.6. Схема двухполу- периодного выпрямителя на ОУ с незаземленной нагрузкой

Рис. 15.4. Вариант схемы прецизионного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель, представленный на рис. 15.6, обычно используют в качестве аналогового вольтметра переменного напряжения, включив в качестве нагрузки магнитоэлектрический микроамперметр.

Для прецизионного двухполупериод- ного выпрямителя (рис. 15.7) при посту-

плении на вход положительной полуволны входного напряжения диод VD1 запирается. ОУ работает в режиме неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи, равном R3/R1.

Рис. 75.7. Схема двухполупериодного выпрямителя на ОУ с заземленной нагрузкой

Рис. 75.8. Схема усовершенствованного двухполупериодного выпрямителя на ОУ с заземленной нагрузкой

При R3=R1 этот коэффициент равен единице, и выходное напряжение равно входному UBblx=UBX. При поступлении на вход устройства отрицательной полуволны соответствующей амплитуды диод VD1 открывается, схема работает в режиме инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи, равном единице, U =-U .

Читайте также:  Система питания двигателей сжатым газом

Недостаток схемы очевиден: при малом входном напряжении отрицательной поляр- ности и вь„*-ив,.

Точность преобразования при малом входном напряжении отрицательной полярности можно повысить, используя схемное решение, рис. 15.8 [15.3]. Отличается схема тем, что в качестве диода VD1 (рис. 15.7) использован идеальный диод на ОУ DA2. Схема также не лишена недостатков: она имеет разное входное сопротивление для сигналов разной полярности.

Варианты схем двухполупериодных выпрямителей приведены на рис. 15.9 и 15.10 [15.4].

На рис. 15.11 приведена очередная схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя, состоящая из однополупериодного выпрямителя на ОУ DA1 (см. рис. 15.1) и сумматора на ОУ DA2 [15.3].

Рис. 15.9. Схема двухполупериодного выпрямителя на двух ОУ

Рис. 15.10. Схема усовершенствованного двухполупериодного выпрямителя

Рис. 75.7 7. Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя на двух ОУ

Этот выпрямитель имеет равное входное сопротивление для разнополярных сигналов, но отличается повышенной сложностью.

Можно показать, что напряжение на выходе однополупери- одного выпрямителя Ul равно:

Примеры практического выполнения прецизионных одно- и двухпо- лупериодного выпрямителей на микросхемах ΝΕ531/SE531 приведены на рис. 15.12 и 15.13 [15.5].

Прецизионный двухполупери- одный выпрямитель может быть выполнен и на микросхемах AD820, рис. 15.14 [15.3].

Высокочастотный двухполупе- риодный выпрямитель-детектор сигналов на микросхеме AD8036 (AD8037), рис. 15.15, идеально

Рис. 75.75. Схема высокочастотного выпрямителя-детектора сигналов на микросхеме AD8036

работает вплоть до частот 20 МГц. Амплитуда входных сигналов — до 1 В, сопротивление нагрузки — 100 Ом. При необходимости чувствительность устройства может быть повышена подбором номиналов резисторов R1 и R2.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Источник



Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 18

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Читайте также:  Питание при гепатите с что полезно

Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием

Исходные данные к расчету представлены в таблице 53.

Таблица 53. Исходные данные к расчету

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
5 мВ
(размах)
400 мВ
(размах)
2,5 мВ
(размах)
200 мВ
(размах)
5 В -0,23 В 0 В

Описание схемы

Данная схема используется для прецизионного выпрямления низковольтных двуполярных переменных сигналов (рисунок 61). Она обеспечивает высокую линейность при работе на частотах до 50 кГц со входными сигналами амплитудой от 5 мВ. Для минимизации искажений вблизи 0 В используется источник отрицательного напряжения (например, LM7705).

Рис. 61. Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием

Рекомендуем обратить внимание:

  • при выборе ОУ следует учитывать уровень смещения и скорость нарастания;
  • резистор R3 необходимо выбирать таким образом, чтобы ток утечки диода D1 при поступлении положительной полуволны входного сигнала не создавал значительной ошибки на входе усилителя U1B. Кроме того, выход ОУ не должен перегружать выход усилителя U1A;
  • для получения минимальных искажений следует использовать быстрый диод D1;
  • отказ от входного буфера (U1A) позволит работать со входными сигналами, амплитуда которых будет в два раза больше напряжения питания, однако расплатой за это станет уменьшение входного импеданса и увеличение ошибки усиления;
  • для снижения погрешности усиления следует выбирать прецизионные резисторы.

Порядок расчета

  • Анализ схемы для положительной полуволны входного сигнала (формула 1) изображен на рисунке 62.

Рис. 62. Эквивалентная схема для положительной полуволны входного сигнала

  • Расчет схемы для отрицательной полуволны входного сигнала (формула 2) показан на рисунке 63.

Рис. 63. Эквивалентная схема для отрицательной полуволны входного сигнала

  • Выбираем резисторы с учетом коэффициента усиления, рассчитываемым по формуле 3:

Моделирование схемы

Осциллограммы переходных процессов представлены на рисунках 64 и 65.

Рис. 64. Осциллограммы переходных процессов при подаче входного переменного сигнала с амплитудой 5 мВ и частотой 1 кГц

Рис. 65. Осциллограммы переходных процессов при подаче входного переменного сигнала с амплитудой 400 мВ и частотой 1 кГц

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 54.

Таблица 54. Параметры ОУ, используемого в расчете

OPA350
Vcc 2,7…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 150 мкВ
Iq 5,2 мА/канал
Ib 0,5 пА
UGBW 38 МГц
SR 22 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 55.

Таблица 55. Параметры альтернативного ОУ

OPA353
Vcc 2,7…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 3 мВ
Iq 5,2 мА
Ib 0,5 пА
UGBW 44 МГц
SR 22 В/мкс
Число каналов 1, 2,4

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник