Активные выпрямители

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, так как отсекаются. При этом двухполярный сигнал преобразуется в однополярный. В результате с помощью схемы выпрямителя можно осуществлять операцию эффективного и неискаженного выпрямления сигналов любого уровня, в том числе и сигналов очень малой интенсивности.

В пассивных диодных выпрямителях из-за нелинейности характеристики диода искажается форма полуволн выпрямленного сигнала. В активных выпрямителях диод включают на выходе ОУ и их оба охватывают цепью общей ОС, которая уменьшает искажения и погрешности выпрямления, в том числе порог открывания диода, пропорционально глубине обратной связи.

Схема простейшего однополупериодного активного выпрямителя
(рис. 12, а) построена на основе неинвертирующего повторителя. Он пропускает в нагрузку лишь положительные полуволны входного напряжения. Даже при очень малом положительном на­пряжении на входе выходное напряжение ОУ уже достаточно для открывания диода VD. При идеальном ОУ U_{вх д} = 0 и все устрой­ство в рабочем полупериоде является идеальным повторителем на­пряжения. При отрицательном напряжении на входе диод закрыт выход­ным напряжением ОУ, которое, следовательно, не передается ни в нагрузку, ни в цепь ОС. Поэтому U_{вх д} = U_вх >0.

Рис. 12. Простейшие активные выпрямители:
а – схема однополупериодного выпрямите­ля; б – схема двухполупериодного выпрямите­ля; в – эпюры напряжений

Последнее означает, что максимально допустимая амплитуда отрицательной по­луволны входного напряжения ограничена допустимым U_{вх. д mах}. Если изменить полярность включения диода, то выпрямитель бу­дет передавать отрицательные полуволны.

Однако такие схемы применяют редко из-за небольшой макси­мально допустимой амплитуды входного напряжения и насыщения ОУ в непропускаемые полупериоды напря­жения (в них ОС не действует). Выход из насыщенного сос­тояния является инерционным и снижает быстродействие. Во из­бежание насыщения ОУ цепь ОС должна функционировать (не отключаться) в каждый полупериод, а для повышения максималь­но допустимой амплитуды входного напряжения применяют актив­ные выпрямители на основе инвертирующего включения ОУ.

Типичная схема активного выпрямителя, реализующего эти принципы, приведена на рис. 12, б. Здесь в любой полупериод один из диодов открыт и действует схема инвертирующего усили­теля с коэффициентом передачи или , не за­висящим от сопротивлений диодов. На каждом из выходов полу­чается результат однополупериодного выпрямления, но для полу­волн разной полярности. Если U_вых2 вычесть из U_вых1 (подать на входы дифференциального усилителя), то получим U_вых1 – U_вых2 = K|U_вх(t)|, т.е. результат двухполупериодного выпрямления. Аналогичный результат можно получить сложением (в необходи­мой пропорции) входного напряжения с одним из выходных.

Четыре схемы однополупериодных выпрямителей на рис. 13 отли­чаются друг от друга передаваемой полуволной входного сигнала (поло­жительной или отрицательной) и знаком коэффициента передачи (ин­вертирующие и неинвертирующие). Неинвертирующие однополупериодные выпрямители
(рис. 13, а, в) имеют более высокое входное сопротивление, чем инвертирующие (рис. 13, б, г). В инвертирующем выпрямителе диод VD₂ открывается на соответствующей полуволне входного сигнала, обеспечивая его пере­дачу на выход с коэффициентом, определяемым отношением резисторов R₁ и R₂, диод VD₁ при этом смещен в обратном направлении. Неинвертирующий выпрямитель при передаче полуволны работает примерно так же, однако их функционирование в режиме отсечки существенно различается.

Рис. 13. Однополупериодные выпрямители:
а, в – неинвертирующее включение ОУ; б, г – инвертирующее включение ОУ;
а, б – положительное напряжение на выходе; в, г – отрицательное напряжение на выходе

Как в неинвертирующем, так и в инвертирующем выпрямителях диод VD₁ введен для повышения их быстродействия. Если исключить диод, то в режиме отсечки ОУ входит в состояние насыщения. Следовательно, при переходе в режим пропускания ОУ должен сначала выйти из насыщения, а затем его выходное напряжение будет достаточно долго нарастать до уровня открывания диода VD₂. Введение диода VD₁ предотвращает насыщение ОУ и ограничивает перепад его выходного напряжения при смене полярности входного сигнала. В неинвертирующей схеме диод VD₁ обеспе­чивает ограничение выходного напряжения ОУ за счет замыкания его вы­хода на землю, поэтому ОУ должен допускать короткое замыкание на вы­ходе в течение неограниченного времени при максимальной рабочей тем­пературе. Кроме того, в неинвертирующей схеме ОУ должен иметь большое допустимое дифференциальное входное напряжение и малое время восста­новления из режима ограничения выходного тока.

Схема двухполупериодного выпрямителя показана на рис. 14. При положительном входном сигнале диод VD₁ открыт, a VD₂ закрыт. Из-за наличия диода VD₁ потенциал инвертирующего входа равен нулю. Выходное напряжение схемы определяется делителем, верхнее плечо которого состоит из резистора R₃, а нижнее – из параллельно включенных R₂ и сопротивления нагрузки R_н. При отрицательном входном сигнале диод VD₂ открыт, а VD₁ закрыт. Теперь схема действует как неинвертирующий усилитель. При разнополярном сигнале схема попеременно действует то как делитель, то как неинвертирующий усилитель.

Рис. 14. Двухполупериодный выпрямитель на одном ОУ

Коэффициент передачи

Для положительного сигнала:

.

Для отрицательного сигнала:

.

Для того чтобы необходимо соблюдение условий:

или

.

Входное сопротивление

Для положительного сигнала:

.

Для отрицательного сигнала:

.

Данную схему рекомендуется применять с низкоомными источниками сигналов и высокоомными нагрузками. В противном случае возникают погрешности коэффициента передачи и различия его для положительных и отрицательных полуволн сигнала. Если R₃ = R₂ = R₁/2, то коэффи­циент передачи схемы составит 1/2.

Показанная на рис. 15 схема состоит из ОУ с двухполупериодным выпрямителем в цепи обратной связи. Мостовая схема выпрямляет обе полуволны входного сигнала, выпрямленный ток протекает при этом через незаземленную нагрузку R_н. Резистор R₁ определяет величину выпрямленного выходного тока. Согласование резисторов не требуется, и для изменения коэффициента передачи можно варьировать сопротивление резистора R₁.

Рис. 15. Двухполупериодный выпрямитель с токовым выходом