利用運(yùn)算放大器構(gòu)建、測(cè)試、應(yīng)用和調(diào)試精密整流電路

精密整流電路。

主要是以下幾個(gè)方面：

1、精密整流電路，

2、精密整流電路分析

3、精密整流電路原理，

4、精密整流電路電路公式構(gòu)建，

5、精密整流電路測(cè)試;

6、精密整流電路應(yīng)用和調(diào)試。

整流電路是將交流電(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(wèn)題，引入精密整流電路。

精密整流電路是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的另一種整流電路，但在精密整流電路中，在精密整流電路中，將使用運(yùn)算方法器來(lái)補(bǔ)償二極管兩端的電壓降，這樣的話就可以避免損失 0.6V 或 0.7V 電壓降。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。

在本文中主要是運(yùn)算放大器構(gòu)建、測(cè)試、應(yīng)用和調(diào)試精密整流電路。

什么是精密整流電路?

在了解精密整流電流源之前，先回憶一下整流電路的基礎(chǔ)知識(shí)。關(guān)于整流電路，我之前有文章詳細(xì)講解過(guò)，大家如果不記得可以去我的主頁(yè)搜索。

下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)為正時(shí)，輸出將為0 V，當(dāng)輸入信號(hào)為正，輸出將跟隨輸入信號(hào)。

理想整流電路的特性及其傳遞特性下圖顯示了一個(gè)實(shí)用的整流電路及其傳輸特性。在實(shí)際的整流電路中，輸出波形將比實(shí)際的輸入電壓小 0.7V，傳輸特性將如下圖所示。此時(shí)，只要當(dāng)施加的輸入信號(hào)略大于二極管的正向電壓，二極管才會(huì)導(dǎo)通。

實(shí)用的整流電路及其傳輸特性

精密整流器的工作原理

下圖的電路顯示了一個(gè)基本的半波精密整流電路，帶有一個(gè) LM358 運(yùn)算放大電路和一個(gè) LN4148 二極管。

半波精密整流電路下圖的電路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。電路從二極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，因此二極管類似于理想二極管。

精密整流電路的輸入輸出波形

在上圖中，你可以清楚地看到輸入信號(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，但在實(shí)際電路中，不會(huì)得到如上圖所示的輸出。

精密整流電路的輸入輸出波形

在下圖的示波器中，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。

下圖顯示了當(dāng)二極管關(guān)閉時(shí)，信號(hào)的負(fù)半周期是通過(guò)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)際的電路。

全波整流電路

我們可以看下，當(dāng)我們連接一個(gè)1K 負(fù)載時(shí)會(huì)發(fā)生什么，電路圖如下所示：

全波整流電路輸出看起來(lái)像下圖：

精密整流電路示波器波形圖

輸出看起來(lái)像上圖一樣，是因?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)的輸入正半部分被衰減的原因。

下圖，顯示了當(dāng)將負(fù)載從 1K 更改到 220R會(huì)發(fā)生什么?具體的如下圖所示

精密整流電路示波器波形圖

下圖顯示了一個(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。

下圖顯示了上述兩個(gè)電路的下沖情況，有負(fù)載和無(wú)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。

精密整流有無(wú)負(fù)載波形圖

使尖峰電壓低于0 V 的原因：每當(dāng)輸入電壓從正向擺動(dòng)時(shí)，運(yùn)算放大器反饋開(kāi)始發(fā)揮作用并穩(wěn)定輸出需要一些時(shí)間。

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

精密整流電路示波器波形圖

改進(jìn)的精密整流電路

下圖顯示了改進(jìn)的精密整流電路，通過(guò)它可以減少上述所有缺陷和缺點(diǎn)。

在下面的電路中，你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)算放大器作為反相放大器，如果我們看到 P1 ，電壓為 0V，因?yàn)樵谠摰晷纬闪颂摂M地，所以電流不能流過(guò)電阻 R19。

在輸出點(diǎn) P2，由于運(yùn)算放大器正在補(bǔ)充 二極管壓降，電壓為負(fù) 0.7V，因此電流無(wú)法流向 P3 點(diǎn)。因此只需要將信號(hào)的正半周期施加到運(yùn)算放大器的輸入端。

這樣就可以實(shí)現(xiàn) 0V 輸出。

改進(jìn)的精密整流電路

現(xiàn)在假設(shè)已經(jīng)將 正弦交流信號(hào)的副板部分應(yīng)用到運(yùn)算放大器的輸入端，這就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(kāi)路的。正好如下圖所示：

改進(jìn)的精密整流電路

由于二極管 D2 處于反向偏置狀態(tài)，電流將流過(guò)電阻 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)在在示波器中觀察電路的輸出，沒(méi)有任何負(fù)載的電路的實(shí)際輸出，如下圖所示。

改進(jìn)的精密整流電路示波器波形圖

現(xiàn)在對(duì)電路進(jìn)行分析，半波整流電路就足夠了，在實(shí)際電路中，半波整流就沒(méi)有實(shí)際意義。正是因?yàn)槿绱?，才引入了全波整流電路，要?shí)現(xiàn)全波精密整流，只需要做一個(gè)求和放大器。

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，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(lái)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。

使用運(yùn)算放大器的精密全波整流器

從點(diǎn) P2 到點(diǎn) P3 為求和放大器，精密整流器的輸出通過(guò)電阻 R3 饋送到求和放大器。電阻 R3 的值是 R5 的一半，或者你可以說(shuō)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(lái)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)求和電路發(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。

精密整流電路的最終輸出波形圖

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

全波精密整流電路理圖，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：

使用運(yùn)算放大器的半波整流電路

使用運(yùn)算放大器的全波整流電路

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

半波精密整流電路和全波精密整流電路

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(lái)抑制高頻噪聲一樣。

這個(gè)電路僅僅只是用來(lái)講解電路。如果你考慮在實(shí)際應(yīng)用中使用電路，就必須使用斬波型運(yùn)算放大器和高精度 0.1 歐姆電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定性。

審核編輯：湯梓紅