如何使用運(yùn)算放大器構(gòu)建精密整流電路

整流器是將交流電 （AC） 轉(zhuǎn)換為直流電 （DC） 的電路。交流電總是隨著時(shí)間改變其方向，但直流電卻不斷地沿一個(gè)方向流動(dòng)。在典型的整流器電路中，我們使用二極管將交流電整流為直流電。但這種整流方法只能在電路的輸入電壓大于二極管的正向電壓（通常為 0.7V）時(shí)使用。

為了克服這個(gè)問題，引入了精密整流電路。精密整流器是另一種將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的整流器，但在精密整流器中，我們使用運(yùn)算放大器來補(bǔ)償二極管兩端的電壓降，這就是為什么我們不會(huì)損失 0.6V 或 0.7V 電壓降的原因。二極管，也可以將電路構(gòu)造為在放大器的輸出端也有一些增益。

因此，在本教程中，我將向您展示如何使用運(yùn)算放大器構(gòu)建、測(cè)試、應(yīng)用和調(diào)試精密整流器電路。除此之外，我還將討論這條賽道的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。所以，事不宜遲，讓我們開始吧。

什么是精密整流電路？

在我們了解精密整流電路之前，讓我們先弄清楚整流電路的基礎(chǔ)知識(shí)。

上圖顯示了理想整流電路的特性及其傳遞特性。這意味著當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，輸出將為零伏，當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，輸出將跟隨輸入信號(hào)。

上圖顯示了一個(gè)實(shí)用的整流電路及其傳輸特性。在實(shí)際的整流器電路中，輸出波形將比施加的輸入電壓小 0.7 伏，傳輸特性將如圖所示。此時(shí)，只有當(dāng)施加的輸入信號(hào)略大于二極管的正向電壓時(shí)，二極管才會(huì)導(dǎo)通。

現(xiàn)在基本知識(shí)已經(jīng)結(jié)束，讓我們將注意力轉(zhuǎn)移到精密整流器電路上。

精密整流器的工作

上面的電路顯示了一個(gè)基本的半波精密整流器電路，帶有一個(gè)LM358 運(yùn)算放大器和一個(gè) 1n4148 二極管。要了解運(yùn)算放大器的工作原理，您可以遵循此運(yùn)算放大器電路。

上面的電路還給大家展示了精密整流電路的輸入輸出波形，正好等于輸入。那是因?yàn)槲覀儚亩O管的輸出中獲取反饋，運(yùn)算放大器會(huì)補(bǔ)償二極管上的任何電壓降。因此，二極管的行為類似于理想二極管。

現(xiàn)在在上圖中，您可以清楚地看到當(dāng)輸入信號(hào)的正負(fù)半周期應(yīng)用于運(yùn)算放大器的輸入端時(shí)會(huì)發(fā)生什么。該電路還顯示了電路的傳輸特性。

但是在實(shí)際電路中，你不會(huì)得到如上圖所示的輸出，讓我告訴你為什么？

在我的示波器中，黃色信號(hào)是輸入，綠色信號(hào)是輸出。我們不是得到半波整流，而是得到一種全波整流。

上圖顯示了當(dāng)二極管關(guān)閉時(shí)，信號(hào)的負(fù)半周期是通過電阻流向輸出，這就是為什么我們得到像輸出一樣的全波整流，但這不是實(shí)際的案子。

讓我們看看當(dāng)我們連接一個(gè)1K 負(fù)載時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

電路如上圖所示。

輸出看起來像上圖。

輸出看起來像這樣，因?yàn)槲覀儗?shí)際上已經(jīng)形成了一個(gè)帶有兩個(gè) 9.1K 和一個(gè) 1K 電阻的分壓器電路，這就是為什么信號(hào)的輸入正半部分剛剛被衰減的原因。

同樣，上圖顯示了當(dāng)我將負(fù)載電阻值從 1K 更改為 220R 時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

這不是該電路存在的最小問題。

上圖顯示了一個(gè)下沖條件，其中電路的輸出低于零伏并在某個(gè)尖峰后上升。

上圖顯示了上述兩個(gè)電路的下沖情況，有負(fù)載和無負(fù)載。這是因?yàn)?，只要輸入信?hào)低于零，運(yùn)算放大器就會(huì)進(jìn)入負(fù)飽和區(qū)，結(jié)果就是所示圖像。

我們可以說的另一個(gè)原因是，每當(dāng)輸入電壓從正向負(fù)擺動(dòng)時(shí)，運(yùn)算放大器反饋開始發(fā)揮作用并穩(wěn)定輸出需要一些時(shí)間，這就是為什么我們要使尖峰電壓低于零伏的原因輸出。

發(fā)生這種情況是因?yàn)槲沂褂玫氖寝D(zhuǎn)換率低的果凍豆 LM358 運(yùn)算放大器。只需放置一個(gè)具有更高壓擺率的運(yùn)算放大器，您就可以解決這個(gè)問題。但請(qǐng)記住，這也會(huì)發(fā)生在電路的較高頻率范圍內(nèi)。

改進(jìn)的精密整流電路

上圖顯示了改進(jìn)的精密整流電路，通過它我們可以減少上述所有缺陷和缺點(diǎn)。讓我們研究一下電路并弄清楚它是如何工作的。

現(xiàn)在在上面的電路中，您可以看到如果正弦信號(hào)的正半部分用作輸入，二極管 D2 將導(dǎo)通?，F(xiàn)在上面的路徑（黃線）已經(jīng)完成，運(yùn)算放大器作為一個(gè)反相放大器，如果我們看點(diǎn) P1，電壓為 0V，因?yàn)樵谠擖c(diǎn)形成了虛擬地，所以電流不能流過電阻R19，在輸出點(diǎn)P2，由于運(yùn)算放大器正在補(bǔ)償二極管壓降，電壓為負(fù)0.7V，因此電流無法流向P3點(diǎn)。因此，只要將信號(hào)的正半周期施加到運(yùn)算放大器的輸入端，我們就是如何實(shí)現(xiàn) 0V 輸出的。

現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們已將正弦交流信號(hào)的負(fù)半部分應(yīng)用到運(yùn)算放大器的輸入端。這意味著施加的輸入信號(hào)小于 0V。

此時(shí)，二極管 D2 處于反向偏置狀態(tài)，這意味著它是開路的。上圖正好告訴你。

由于二極管 D2 處于反向偏置狀態(tài)，電流將流過電阻器 R22，在點(diǎn) P1 處形成虛擬接地?，F(xiàn)在，當(dāng)施加輸入信號(hào)的負(fù)半部分時(shí)，我們將在輸出中得到一個(gè)正信號(hào)，作為其反相放大器。二極管將導(dǎo)通，我們將在 P3 點(diǎn)獲得補(bǔ)償輸出。

現(xiàn)在輸出電壓將為 -Vin/R2 = Vout/ R1

所以輸出電壓變?yōu)?Vout = -R2/R1* Vin

現(xiàn)在讓我們?cè)谑静ㄆ髦杏^察電路的輸出。

沒有任何負(fù)載的電路的實(shí)際輸出如上圖所示。

現(xiàn)在對(duì)電路進(jìn)行分析，半波整流電路就足夠了，但在實(shí)際電路中，半波整流就沒有實(shí)際意義了。

正因?yàn)槿绱?，才引入了全波整流電路，要?shí)現(xiàn)全波精密整流，我只需要做一個(gè)求和放大器，基本就這些了。

使用運(yùn)算放大器的精密全波整流器

為了制作全波精密整流電路，我剛剛在前面提到的半波整流電路的輸出端添加了一個(gè)求和放大器。從這一點(diǎn)來看，P1 到 P2 點(diǎn)是基本的精密整流電路，二極管的配置使我們?cè)谳敵龆双@得負(fù)電壓。

從點(diǎn)P2到點(diǎn)P3為求和放大器，精密整流器的輸出通過電阻R3饋送到求和放大器。電阻器 R3 的值是 R5 的一半，或者您可以說它是 R5/2，這就是我們?cè)O(shè)置運(yùn)算放大器 2 倍增益的方式。

在電阻 R4 的幫助下，來自點(diǎn) P1 的輸入也被饋送到求和放大器，電阻 R4 和 R5 負(fù)責(zé)將運(yùn)算放大器的增益設(shè)置為 1X。

由于 P2 點(diǎn)的輸出直接饋送到增益為 2X 的加法放大器，這意味著輸出電壓將是輸入電壓的 2 倍。假設(shè)輸入電壓為 2V 峰值，因此我們將在輸出端獲得 4V 峰值。同時(shí)，我們直接將輸入饋送到增益為 1X 的求和放大器。

現(xiàn)在，當(dāng)求和操作發(fā)生時(shí)，我們?cè)谳敵龆说玫揭粋€(gè)總和電壓，即 （-4V） + （+2V） = -2V，并作為輸出端的運(yùn)算放大器。由于運(yùn)算放大器配置為反相放大器，我們將在輸出端獲得 +2V，即 P3 點(diǎn)。

當(dāng)施加輸入信號(hào)的負(fù)峰值時(shí)，也會(huì)發(fā)生同樣的情況。

上圖是電路的最終輸出，藍(lán)色波形是輸入，黃色波形是半波整流電路的輸出，綠色波形是全波整流電路的輸出。

所需組件

LM358 運(yùn)算放大器 IC - 2

6.8K，1% 電阻 - 8

1K 電阻 - 2

1N4148 二極管 - 4

面包板 - 1

跳線 - 10

電源 （± 10V） - 1

原理圖，示意圖

使用運(yùn)算放大器的半波和全波精密整流電路圖如下：

在此演示中，電路在原理圖的幫助下構(gòu)建在無焊面包板上；為了減少寄生電感和電容，我將組件連接得盡可能近。

進(jìn)一步增強(qiáng)

可以進(jìn)一步修改電路以提高其性能，就像我們可以添加一個(gè)額外的濾波器來抑制高頻噪聲一樣。

該電路僅用于演示目的。如果您考慮在實(shí)際應(yīng)用中使用此電路，則必須使用斬波型運(yùn)算放大器和高精度 0.1 歐姆電阻來實(shí)現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定性。