精密半波整流电路的两次变身

精密半波整流电路的两次变身

利用二极管的单向导电特性，和放大器的优良放大性能相结合，可做到对输入交变信号（尤其是小幅度的电压信号）进行精密的整流，由此构成精密半波整流电路。若由此再添加简单电路（甚至是一只电阻）即可构成精密全波整流电路。
对二极管单向导电的发明，奠定了无线电的基础，在控制电流方向的基础上，进而控制电流的大小（三极管），则完成了由简单控制向自动化、智能化控制的华丽转身。现代化的进程中，半导体器件确实居功甚伟。闲话少说，回过头来，先说一下二极管。
二极管是个两线端元件，有阳极、阴极两个引线端，其特性是单向导电，从而可完成整流、隔离等基本工作任务。对于常用的硅整流二极管来说，只要或只有阳极电压高于阴极电压（约0.6V左右）即可实现正偏（称正向偏压）导通。反之，当阴极电压高于阳极电压时，称为反偏截止。在二极管正偏导通期间，往往可以忽略其导通压降，将其认为是一根导线；在反偏截止期间，因其漏电流小到可以忽略不计，则可以视为开路，貌似这个元件不存在一样。因而，二极管即不同于电阻（有固定的电阻值，非通非断），也不同于电容（是个瞬时通电元件），其性格鲜明脾气直爽，要么是通，要么是断，通、断都非常利落！
二极管的导通压降约为0.6V，此导通压降又称为二极管门坎电压，意谓着迈过0.6V这个坎，二极管才由断态进入到通态。常规整流电路中，因整流电压的幅值远远高于二极管的导通压降，几乎可以无视此门坎电压的存在。但在对小幅度交变信号的处理中，若信号幅度竟然小于0.6V，此时二极管纵然有一身整流的本事，也全然派不上用场了。
在二极管茫然四顾之际，它的帮手——有优良放大性能的运算放大器的适时出现，改变了这种结局，二者一拍即合，小信号精密半波整流电路即将高调登场。请看图一。

图一 半波精密整流电路及等效电路
  上图电路，对输入信号的正半波不予理睬，仅对输入信号的负半波进行整流，并倒相后输出。在输入信号的正半波输入期间，微小的输入信号即使放大器输入端变负（此际放大器为开环状态），二极管D1正偏导通（相当于短接），D2反偏截止（相当于断路），形成电压跟随器模式，因同相端接地，由虚短特性可知，输出端仍能保持零电位。如图一中的b电路所示；在输入信号的负半波期间，微小的输入信号即使输出端变正（此际放大器为开环状态），二极管D1反偏截止，D2正偏导通，形成反相（放大）器的电路模式，对负半波信号进行了倒相输出。如图一中的c电路所示。
   在工作过程中，两只二极管默契配合，一开一关，将输入正半波信号关于门外，维持原输出状态不变；对输入负半波信号则放进门来，帮助其翻了一个跟头（反相）后再送出门去。两只二极管的精诚协作，再加上运算放大器的优良放大性能，配料充足，做工地道，从而做成了精密半波整流这道“大餐”。
   如果调整反馈电阻R2的阻值，使R2=2R1，再与输入信号相混合，则形成全波精密整流电路，如图二所示。

图二 精密全波整流电路及波形图
  将N1放大器的反馈电阻R2增大，使R2=2R1，使其将整流信号反相放大两倍后输出，再与输入信号相加，其整流的+10V与输入负半波的-5V相加，10+（-5）=5，恰好能将负半波“消灭”掉，得到全波整流电压。
   所谓魔电（模电），如果能够识破其变身术，只剩下一个个的电路模型，又何魔之有？如果有足够的空余时间，我真想完全抛开“虚短”、“虚断”、“虚地”等概念，再“新解”一下运算放大器的基本电路。
   所谓“新解”，属咸庆信个人之解，非正统非科班非完全正确之解，只是通俗之解权宜之解旁门之解，若解之有误，相信各位当能谅之。

   咸庆信，于2015年3月11日，午休时间写定于东石桥村，家中。