Идеальные выпрямители предназначены для выделения абсолютного значения входного сигнала при широком динамическом диапазоне его изменения. То есть эти схемы позволяют на выходе получить абсолютную величину входного сигнала, при его изменении от долей милливольт до единиц вольт.
Идеальный однополупериодный выпрямитель для незаземленной нагрузки
Строится на основе схемы инвертирующего усилителя, в которой вместо резистора обратной связи используется цепь встречно параллельно включенных диодов, последовательно с одним из которых включается нагрузка.
В соответствии с инвертирующей схемой включения операционного усилителя ток входного резистора R1 будет компенсироваться током обратной связи, который равен сумме токов через VD1 и Rн последовательно с VD2. При UВХ > 0 ток течет через диод VD1, а не через резистор R2 и обратно смещенный диод VD2. Отсутствие тока протекающего через резистор обуславливает отсутствие падения напряжения на нем. При UВХ < 0 через закрытый диод VD1 ток такого направления замыкаться не может. При этом
I_{R_1}=I_{R_H}=\displaystyle\frac{U_{ВХ}}{R_1} ,
U_{ВЫХ}=-\displaystyle\frac{R_H}{R_1}\cdot U_{ВХ}
Вид передаточной характеристики идеального однополупериодного выпрямителя представлен на правом рисунке выше. При UВХ = 0 передаточная характеристика имеет излом.
Расширение динамического диапазона устройства происходит за счет того, что нелинейный элемент (полупроводниковый диод) включен в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя. Можно показать, что динамический диапазон работы устройства расширяется в КU раз, где КU — коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя. В целом можно считать, что динамический диапазон определяется соотношением между прямым и обратным сопротивлениями полупроводникового диода и составляет 120…140 дБ.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.
Двухполупериодный идеальный выпрямитель для незаземленной нагрузки
Схема двухполупериодного выпрямителя для работы на незаземленную нагрузку показана на рисунке. При реализации схемы в цепь обратной связи инвертирующего усилителя устанавливается выпрямительный мост, в выходную диагональ которого подключается нагрузка. Мостовая схема выпрямляет обе полуволны входного сигнала. Выпрямленный ток протекает при этом в одном направлении через незаземленную нагрузку RН. Резистор R1 определяет величину выпрямленного выходного тока. Согласования резисторов не требуется, а для изменения коэффициента передачи можно варьировать сопротивление резистора R1.
Выходной ток
|I_{ВЫХ}=\displaystyle\frac{|U_{ВХ}|}{R_1}
а выходное напряжение
U_{ВЫХ}=\displaystyle\frac{R_H}{R_1}\cdot |U_{ВХ}|.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.
Однополупериодный выпрямитель для заземленной нагрузки
Схема идеального однополупериодного выпрямителя для заземленной нагрузки совпадает со схемой выпрямителя для незаземленной нагрузки. Отличие состоит в том, что вместо нагрузочного резистора в цепи обратной связи ОУ устанавливается резистор фиксированного номинала, определяющий коэффициент передачи схемы, а нагрузка подключается к точке соединения диода VD2 и резистора R2. Резистор R2 одним из выводов подключен к инвертирующему входу ОУ, потенциал которого в инвертирующей схеме включения можно считать равным нулю, поэтому напряжение на нем будет соответствовать выходному напряжению схемы.
Следовательно Uвых = 0, при Uвх >0 и Uвых = -(R2/R1)∙Uвх, при Uвх <0.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.
Двухполупериодный выпрямитель для заземленной нагрузки
Двухполулпериодный выпрямитель имеет передаточную характеристику, симметричную относительно оси ординат. Наклон характеристики определяется коэффициентом передачи выпрямителя. Далее будем рассматривать выпрямители, имеющие модуль коэффициента передачи, равный 1.
Схема двухполупериодного выпрямителя для заземленной нагрузки, построенного на базе однополупериодного выпрямителя и инвертирующего сумматора, показана на рисунке.
При отрицательном входном сигнале диод VD1 открыт, а VD2 закрыт, и ток через резистор R2 в цепи обратной связи ОУ DA1 отсутствует, поэтому
U1 = U– = 0.
При положительном входном сигнале диод VD1 закрыт, а VD2 открыт, и
U1=-Uвх
Для обеспечения единичного коэффициента передачи номиналы резисторов обычно выбираются из условия, что R1=R2, R4=R5=R, а R3=0,5R.
Выходное напряжение определится как
U_{ВЫХ}=-\displaystyle\frac{R}{R}\cdot U_{ВХ}-\displaystyle\frac{R}{0,5\cdot R}\cdot U_{1}=-U_{ВХ}-2\cdot U_1.
Отсюда имеем
U_{ВЫХ}=\left\{ \begin{array}{ll} {-U_{ВХ}} & {U_{ВХ}}\leq 0\textrm{,}\\ {U_{ВХ}} & {U_{ВХ}}\gt 0 \end{array} \right..
Недостатком схемы является необходимость наличия двух групп резисторов согласованных номиналов, всего — в количестве 5 штук.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.
Двухполупериодный идеальный выпрямитель для заземленной нагрузки с уменьшенным количеством прецизионных резисторов
Другой вариант схемы двухполупериодного выпрямителя для заземленной нагрузки представлен на рисунке. Для этой схемы необходимо только 2 согласованных резистора.
При положительном входном сигнале на выходе DA1 формируется напряжение, соответствующее прямому падению на открытом диоде VD1, через который замыкается ток входного резистора R, а также ток второго резистора R обусловленный положительным потенциалом на выходе схемы. Положительное напряжение выхода создается операционным усилителем DA2 через открытый диод VD4. На неинвертирующий вход DA2 подано положительное входное напряжение , а ОУ охвачен единичной обратной связью через резистор R1. Диоды VD2 и VD3 закрыты.
При отрицательном напряжении на входе положительное выходное напряжение формируется однополупериодным идеальным выпрямителем на DA1. При этом VD2 открыт, а VD1 закрыт. Отрицательный потенциал на неинвертирующем входе DA2 обеспечивает отрицательное напряжение на его выходе, поэтому VD4 закрыт , а через открытый VD3 на выход DA2 замыкается ток резистора R1.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.
Двухполупериодный идеальный выпрямитель для заземленной нагрузки на базе усилителя со знакопеременным коэффициентом передачи
Еще одним вариантом схемы для заземленной нагрузки является схема, представленная на левом рисунке. Данная схема помимо выполнения выпрямительной функции позволяет также определить знак напряжения входного сигнала, поскольку содержит «нуль орган» DA2.
Схему, выполненную на ОУ DA1 совместно с ключевым транзистором VT1, называют усилителем со знакопеременным коэффициентом передачи. Знак коэффициента передачи при этом определяется состоянием ключа.
Схема с идеальным ключом представлена на правом рисунке. При разомкнутом ключе S выходное напряжение UВЫХ = UВХ, поскольку схема представляет собой неинвертирующий повторитель напряжения (токи всех резисторов равны нулю и падения напряжений на резисторах отсутствуют). При замкнутом ключе UВЫХ = –UВХ., поскольку схема превращается в инвертирующий усилитель с единичным (по модулю) коэффициентом передачи.
В качестве электронного ключа используется МДП транзистор с малым остаточным сопротивлением канала, управляемый выходным сигналом компаратора DA2, формирующего сигнал соответствующий знаку напряжения входа.
Если Uвх > 0 выходной сигнал компаратора – положительное напряжение. P- канальный МДП транзистор закрыт и коэффициент передачи усилителя на DA1 равен +1.
При отрицательном входном сигнале на выходе компаратора отрицательное напряжение, транзистор открыт (ключ замкнут) и коэффициент передачи усилителя на DA1 равен -1.
Таким образом выход DA1 реализует выпрямительную функцию входного сигнала.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.
