3.2.   Прецизионные выпрямители на ОУ

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 вольтамперной 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. 3.5, отличаются друг от друга передаваемой волной входного сигнала (положительной или отрицательной) и знаком коэффициента передачи (инвертирующие и неинвертирующие). Неинвертирующие однополупериодные выпрямители (рис. 3.5, а, в) имеют более высокое входное сопротивление, чем инвертирующие. В инвертирующем выпрямителе (рис. 3.5, б, г) 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 (рис. 3.5, а, в) при передаче попускаемой полуволны работает примерно также, однако их функционирование в режиме отсечки существенно различается.

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 VD2 предотвращает 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 схем (см. рис. 3.5) 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 (рис. 3.6). Здесь операционный усилитель служит в качестве управляемого по напряжению источника тока. Поэтому выходной ток не зависит от падения напряжения на диодах и сопротивления нагрузки (RН).

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.

В двухполупериодном выпрямителе с заземленной нагрузкой (рис. 3.7, а)  используется дифференциальное включение ОУ. Положительная полуволна входного напряжения запирает диод, в результате чего схема работает в режиме неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи, равным единице, и

UВЫХ = UВХ.

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

UВЫХ = –UВХ.

Схема очень проста, но из-за неравенства нулю прямого напряжения на диоде последнее равенство выполняется с большой погрешностью.

Точность схемы (рис. 3.7, а) можно повысить, если в ней заменить диод VD1 моделью идеального диода на ОУ2 (рис. 3.7, б). Здесь при положительной полуволне входного сигнала выходное напряжение ОУ2 будет отрицательным, в результате ч
его

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 (см. рис. 3.7, б) довольно проста, но имеет разные входные сопротивления 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. 3.8, в которой применено инвертирующее включение операционных усилителей. Схема включает сумматор на ОУ2 и однополупериодный выпрямитель на ОУ1 (см. рис. 3.5, в).

Подпись: Рис. 3.1. Основная схема логарифмирующего преобразователяПрежде всего рассмотрим принцип работы ОУ1 (рис. 3.8). 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 = –UВХ. 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.

Для схемы (рис. 3.8) справедливы соотношения:

                                          (3.5)

Подключение сумматора на ОУ2 обеспечивает двухполупериодное выпрямление. Сумматор формирует напряжение

UВЫХ = –(UВХ + 2U1).

Учитывая формулу (3.5), получим:

Это и есть искомая функция двухполупериодного выпрямителя.

Достоинством рассмотренной схемы (рис. 3.8) является равное входное сопротивление для разных полярностей входного сигнала и отсутствие синфазного напряжения на входах усилителей. Недостатком схемы является необходимость согласовывать большее число резисторов, чем в схеме (см. рис. 3.7, б).