Выпрямитель на операционном усилителе

Для измерения величины переменного напряжения, его необходимо выпрямлять, так как все измерительные системы, будь то стрелочный гальванометр или АЦП микроконтроллера, работают с постоянным напряжением. Наиболее правильно это можно сделать используя простой по исполнению активный выпрямитель на ОУ.

Тут вы мне скажете, что я вру и ваш тестер умеет и сам мерить переменное напряжение. В чем же подвох? В том, что ваш тестер умеет еще и выпрямлять переменное напряжение, а измеряет он на самом деле постоянное. К тому же тестер как правило рассчитан на измерение напряжения сети частотой 50 Гц.

Схемы выпрямителей, преобразующие переменное напряжение в постоянное строятся на диодах, даже сами диоды иногда называют выпрямителями. У пассивных выпрямителей, состоящих только из диодов есть серьезные недостатки в плане их применимости для измерения переменного напряжения.

Самый очевидный недостаток заключается в том, что при амплитудах измеряемого сигнала равных либо меньших величины напряжения падения на p-n переходе диода (0,6 вольта для кремниевых и 0.4 для германиевых диодов), выпрямлять такие сигналы пассивными выпрямителями невозможно, вы попросту ничего не увидите.

При высокоточных измерениях невозможность измерения малых величин переменного сигнала не единственный минус пассивных схем. Гораздо более серьезными недостатками являются нелинейная зависимость выходного напряжения от входного, а так же нелинейная зависимость выходного напряжения от частоты входного сигнала.

Для наибольшей точности измерения переменных напряжений разных частот и амплитуд прибегают к помощи операционных усилителей (ОУ). При этом диоды включаются в цепи обратной связи. При правильном выборе схемы и комплектующих, все перечисленные недостатки пассивных выпрямителей компенсируются операционным усилителем.

Существует достаточно схем активных выпрямителей. Представленная схема была выбрана по причине того, что она встречается в книгах “Искусство схемотехники” — П.Хоровиц, У.Хилл (стр172) а также “Операционные усилители” — И.Достал (стр203). Солидные издания, которые на сегодняшний день являются классикой схемотехники.

Как и ожидалось схема не требует никакой наладки и при правильной сборке заработает ср азу.

Активный выпрямитель ( двухполупериодный)

[ или схема выделения модуля переменного сигнала]

Активный выпрямитель — описание работы схемы

Схема выделяет модуль входного напряжения и тем самым работает как двухполупериодный выпрямитель. Она состоит из диодного ограничителя, реализованного на ОУ₁ и двухвходового суммирующего усилителя на ОУ₂.

Когда входное напряжение Uвх имеет отрицательную полярность, верхний диод находится в непроводящем состоянии. Последовательно включенные сопротивления R и R/2 не работают, поскольку они включены между потенциально заземленными входами усилителей ОУ₁ и ОУ₂ . Выходной суммирующий усилитель действует как инвертор с единичным усилением, и:

Uвых = − Uвх при Uвх

Входное напряжение положительной полярности Uвх преобразуется ограничителем в напряжение отрицательной полярности U=−Uвх , и затем оба напряжения складываются так, что на выходе суммирующего усилителя появляется напряжение:

Uвых = − Uвх − 2U = + Uвх при Uвх > 0

Оба случая можно формально объединить, записав как:

Uвых = |Uвх|

Поэтому такой выпрямитель и называется также схемой выделения модуля переменного сигнала

Графически зависимость выпрямленного выходного напряжения от переменного входного можно изобразить в следующем виде:

Данная схема очень пригодилась, когда появилась необходимость выпрямлять переменное напряжение частотой 150кГц с последующей отправкой на АЦП микроконтроллера для передачи на ПК. Выпрямитель стал частью установки по изучению релаксационных свойств МДП структур :-)

Характеристики данной схемы определяются применяемыми деталями.

В качестве ОУ была выбрана микросхема LM833, позволяющая работать на частотах вплоть до 15МГц. Такой запас по частотной полосе может показаться даже излишним, однако он гарантирует минимум фазовых искажений до нескольких МГц. Использовалось напряжение питания ±15В, которое было стабилизированно посредством L7815 и L7915.

В качестве диодов использовались быстродействующие Диоды Шоттки (4148).

Величина R была выбрана 14.51 кОм, ввиду наличия данного номинала, однако никто не мешает выбрать ее равной как 10кОм так и 20-30кОм.

Для исключения внесения дополнительной ошибки использовались прецизионные резисторы типа (С2-13). Данные резисторы имеют стеклянную изоляцию покрытую дополнительным слоем керамики, что обеспечивает значительную температурную стабильность при измерениях. Ошибка номиналов резисторов +-0.5%.

Буферные каскады

В ходе измерений возникла необходимость зрительного контроля переменного сигнала на осциллографе. Однако подключение осциллографа непосредственно в цепь сигнала перед выпрямителем приводило к искажению сигнала. Для согласования по сопротивлениям перед активным выпрямителем были добавлены буферные каскады.

Установленные буферные каскады позволили разделять сигнал на два канала без изменения характеристик сигнала. Каскады выполнен на аналогичном скоростном операционном усилителе (LM833), с одного выхода которого сигнал поступал на активный выпрямитель, а с другого на осциллограф

Осциллограммы

Осциллограмма переменного напряжения подаваемого на вход выпрямителя в процессе проверки собранной схемы:

И осциллограмма выходного напряжения активного выпрямителя:

Как видно из осциллограмм, собранный активный выпрямитель на ура справляется с выпрямлением 150-ти кГц переменного синусоидального сигнала

P.S Для защиты выпрямителя от возможных КЗ не лишним будет добавить на выход последовательно включенный резистор, а для сглаживания выпрямленного сигнала после резистора желателен включенный на землю конденсатор. Резистор с конденсатором образуют интегрирующую RC цепочку, подбор временной составляющей которой позволит сгладить выпрямленный сигнал.

Величина R была выбрана равной 2кОм, а величина C — 0.01 мкФ. .

Anthony H. Smith

Двухполупериодный выпрямитель можно сделать, не используя ни одного диода, если воспользоваться способностью некоторых операционных усилителей с однополярным питанием эффективно ограничивать сигнал на уровне земли при отрицательном напряжении на входе. Схема состоит из повторителя с единичным усилением (IC1a) и второго каскада (IC1b), на который поступает выходной сигнал повторителя V_O и инвертированный входной сигнал V_IN (Рис. 1). Напряжение V_OUT на выходе схемы определяется следующим выражением:

Во время положительной полуволны входного сигнала повторитель передает входной сигнал так, что V_O = V_IN. Поэтому V_OUT = (1 + K)V_IN – KV_IN = V_IN.

Во время отрицательной полуволны входного сигнала выход повторителя «насыщается землей», отчего V_O = 0. Поэтому V_OUT = – KV_IN. Выбрав R2 = R3, чтобы K = 1, получим V_OUT = – V_IN, т.е. схема будет инвертировать входной сигнал. Поэтому, если сигнал на входе симметричен относительно земли, сквозная передаточная функция будет иметь вид V_OUT = |V_IN|.
Важно, чтобы операционный усилитель был способен без повреждения воспринимать отрицательные сигналы, и не реверсировал при этом фазу. Диапазон допустимых входных напряжений должен включать землю. При отрицательном входном напряжении резистор R1 ограничивает входной ток на безопасном уровне порядка 10 мА. При отсутствии R1, неинвертирующий вход микросхемы может быть поврежден большим отрицательным напряжением.

Операционный усилитель должен иметь достаточное быстродействие, чтобы успевать восстанавливаться после «насыщения землей» к моменту, когда входной сигнал переходит в положительную область. В противном случае будет происходить искажение выходного сигнала, особенно заметное на высоких частотах. Используемый операционный усилитель имеет структуру Rail-to-Rail, размах выходного напряжения ограничен только величиной напряжения на положительной шине питания V_S.

Схема будет не только выпрямлять, но и усиливать сигнал, если добавить в нее два резистора R4 и R5 (Рис. 2). Отношение R4 к R5 находят из следующего выражения:

где K (= R3/R2) – требуемое сквозное усиление схемы.

К примеру, если вы хотите получить коэффициент усиления 10, необходимо чтобы R3 = 10×R2, и R4/R5 = 9/11 = 0.818.

Осциллограмма показывает реакцию схемы на синусоидальный сигнал частотой 10 кГц при следующих номиналах компонентов, обеспечивающих коэффициент усиления 10:
R2 = 3.3 кОм, R3 = 33 кОм, R4 = 8.2 кОм и R5 = 10 кОм (Рис. 3).

Сопротивление входного резистора R1 – 10 кОм, напряжение питания (V_S) равно 5 В, а в качестве IC1 выбран сдвоенный операционный усилитель OPA2374 производства Texas Instruments. Амплитуда входного сигнала 400 мВ, а выходной сигнал изменяется в пределах от 0 до 4 В.

Помните, что входной сигнал должен быть симметричен относительно земли. Если входное напряжение имеет постоянную составляющую, выпрямитель необходимо дополнить разделительным конденсатором на входе.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Во многих устройствах обработки аналоговых сигналов, например, в измерительных схемах, необходимо выделение либо составляющих только одной полярности (однополупериодное выпрямление), либо определение абсолютного значения сигнала (двухполупериодное выпрямление). Эти операции могут быть реализованы на пассивных диодно-резистивных цепях, но значительное прямое падение напряжения на диодах (0,5 – 1 В) и нелинейность его вольт-амперной характеристики вносят в этом случае значительные погрешности, особенно при обработке слабых сигналов. Применение ОУ позволяет в значительной степени ослабить влияние реальных характеристик диодов.

Однополупериодные выпрямители. Схемы однополупериодных выпрямителей, приведенные на рис. 28, отличаются друг от друга передаваемой волной входного сигнала (положительной или отрицательной) и знаком коэффициента передачи (инвертирующие и неинвертирующие). Неинвертирующие однополупериодные выпрямители имеют более высокое входное сопротивление, чем инвертирующие. В инвертирующем выпрямителе диод VD₁ открывается на соответствующей полуволне сигнала, обеспечивая его передачу на выход с коэффициентом, определяемым отношением резисторов R₁ и R₂. Диод VD₂ смещен при этом в обратном направлении. Неинвертирующий выпрямитель при передаче попускаемой полуволны работает примерно также, однако их функционирование в режиме отсечки существенно различается.

Рис. 28. Схемы однополупериодных выпрямителей

Как в инвертирующем, так и в неинвертирующем выпрямителях диод VD₂ введен для повышения их быстродействия. Если исключить этот диод, то в режиме отсечки ОУ входит в состояние насыщения.

При переходе в режим пропускания ОУ сначала должен выйти из насыщения, а затем его выходное напряжение будет достаточно долго нарастать до уровня открывания диода VD₁. Введение диода VD₂предотвращает насыщение ОУ и ограничивает перепад его выходного напряжения при смене полярности входного сигнала. В неинвертирующей схеме диод VD₂ обеспечивает ограничение выходного напряжения ОУ путем замыкания его выхода на землю, поэтому ОУ должен допускать короткое замыкание на выходе в течение неограниченного времени. Кроме того, в неинвертирующей схеме операционный усилитель должен иметь большое допустимое дифференциальное входное напряжение и малое время восстановления из режима ограничения выходного тока.

Существенным недостатком представленных выше схем является их высокое выходное сопротивление, имеющее, к тому же, нелинейный характер.

Двухполупериодные выпрямители. Наиболее просто реализуются прецизионные двухполупериодные выпрямители с незаземленной нагрузкой, например, стрелочным миллиамперметром. Схема такого устройства приведена на рис. 29. Здесь операционный усилитель служит в качестве управляемого по напряжению источника тока. Поэтому выходной ток не зависит от падения напряжения на диодах и сопротивления нагрузки R_н.

Рис. 29. Двухполупериодный выпрямитель с незаземленной нагрузкой

Мостовая схема выпрямляет обе полуволны входного сигнала, при этом выпрямленный ток протекает через нагрузку:

Эта схема не требует согласования резисторов и имеет высокое входное сопротивление.

Простейшая схема двухполупериодного выпрямителя с заземленной нагрузкой приведена на рис. 30а. Здесь используется дифференциальное включение ОУ.

Рис. 30. Двухполупериодный выпрямитель с заземленным диодом

Положительная полуволна входного напряжения запирает диод, в результате чего схема работает в режиме неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи, равным единице и U_вых = U_вх. Отрицательная полуволна открывает диод. Если бы прямое падение напряжение на диоде было равно нулю, то схема работала бы в режиме инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом и U_вых=–U_вх. Схема очень проста, но из-за неравенства нулю прямого напряжения на диоде последнее равенство выполняется с большой погрешностью.

Точность можно повысить, если в схеме на рис. 30а заменить диод VD1 моделью идеального диода на ОУ2 (рис. 30б). Здесь при положительной полуволне входного сигнала выходное напряжение ОУ2 будет отрицательным, в результате чего диод VD1 закроется, а VD2 откроется. Выход усилителя ОУ2 будет соединен с общей точкой практически накоротко, и цепь обратной связи усилителя разомкнута. Усилитель ОУ1 работает в режиме неинвертирующего повторителя. При отрицательной полуволне входного сигнала диод VD1 открыт, а диод VD2 закрыт. Цепь обратной связи ОУ2 замкнута через открытый диод VD1, поэтому напряжение между входами ОУ2, а стало быть и на неинвертирующем входе ОУ1, близко к нулю. Тогда усилитель ОУ1 работает в режиме инвертирующего повторителя.

Схема на рис. 30б довольно проста, но имеет разное входное сопротивление для положительных и отрицательных сигналов и требует согласования резисторов R₁. Усилитель ОУ2 должен допускать короткое замыкание выхода и большое дифференциальное напряжение.

Лучшие характеристики имеет схема, приведенная на рис. 31, в которой применено инвертирующее включение операционных усилителей. Схема включает сумматор на ОУ2 и однополупериодный выпрямитель на ОУ1 (см. левую нижнюю схему на рис. 28).

Рис. 31. Схема выпрямителя, в которой ОУ работают в линейном режиме

Прежде всего рассмотрим принцип работы ОУ1. При положительном входном напряжении он работает как инвертирующий усилитель. В этом случае напряжение U₂ отрицательно, т.е. диод VD₁ проводит, а VD₂ закрыт, поэтому U₁ = –U_вх. При отрицательном входном напряжении U₂ положительно, т.е. диод VD₁ закрыт, а VD₂ проводит и замыкает цепь отрицательной обратной связи усилителя, которая препятствует насыщению усилителя ОУ1. Поэтому точка суммирования остается под нулевым потенциалом. Поскольку диод VD₁ закрыт, напряжение U₁ также равно нулю. Справедливы соотношения:

Подключение сумматора на ОУ2 обеспечивает двухполупериодное выпрямление. Сумматор формирует напряжение

Учитывая формулу (35), получаем:

Это и есть искомая функция двухполупериодного выпрямителя.

Достоинством рассмотренной схемы является равное входное сопротивление для разных полярностей входного сигнала и отсутствие синфазного напряжения на входах усилителей. Недостаток – необходимость согласовывать большее число резисторов, чем в схеме на рис. 30б.