精密半波整流电路
背景说明
半波整流电路利用二极管单向导通特性将交流信号转换为直流信号,但是由于二极管存在导通压降因此无法准确地将信号进行整流,故而需要引入运算放大器,使用运算放大器电路的反馈原理将二极管的导通压降抵消,从而实现精密的半波整流。
原理图
电路说明
电路原理
当Vin<0V_{in}<0Vin<0时,则运放反相输入端V−<0V_{-}<0V−<0,而运放同相输入端V+=0V_{+}=0V+=0,所以有V+>V−V_{+}>V_{-}V+>V−,所以运放的输出端输出的是正电压。所以此时二极管D1D_{1}D1截止,而二极管D2D_{2}D2导通。此时整个电路等效为一个反相放大器。
因此当Vin<0V_{in}<0Vin<0时,有
Vo=−R2R1Vin V_{o}=-\frac{R_{2}}{R_{1}}V_{in} Vo=−R1R2Vin
当Vin>0V_{in}>0Vin>0时,运放反相输入端V−>0V_{-}>0V−>0,而运放同相输入端V+=0V_{+}=0V+=0,所以有V+<V−V_{+}<V_{-}V+<V−,所以运放的输出端输出的是负电压。所以此时二极管D1D_{1}D1导通,而二极管D2D_{2}D2截止。此时等效电路如下图所示
考虑到运放“虚段”,有V+=V−=0V_{+}=V_{-}=0V+=V−=0。
因此当Vin>0V_{in}>0Vin>0,有
Vo=0 V_{o}=0 Vo=0
故该电路的传递函数可以写为:
Vo={−R2R1Vin,Vin<00,Vin≥0 V_{o}= \left \{ \begin{array}{c} -\frac{R_{2}}{R_{1}}V_{in} &\text{,}V_{in}<0\\ 0&\text{,}V_{in}\geq0 \end{array} \right. Vo={−R1R2Vin0,Vin<0,Vin≥0
设计说明
- 为了保证信号不失真,在确定压摆率指标时,需要将二极管的管压降也考虑在内,即运放的压摆率要比信号本身的压摆率大一些。
- 为了保证高频信号不失真,需要使用开关速度较快的二极管,比如肖特基二极管。
- 可以使用阻值较低的电阻器来降低噪声误差。
仿真结果
直流分析
交流分析
瞬态分析
这是输入信号频率为1kHz时瞬态仿真的结果
这是输入信号频率为100kHz时的瞬态仿真结果
可以看到,当输入信号频率在100kHz,信号已经发生了轻微相移,且在反向输出的末端出现一定的过充现象。
这应该是由于肖特基二极管反相电流所导致(不一定正确)。
但是总体上看整流后信号并未发生明显畸变。