运放原理新解之四

运放原理新解之四
——听咸老师说电子电路系列之一

精密半波、全波整流电路

利用二极管（开关器件）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，即可构成精密全波整流电路。
二极管的导通压降约为0.6V左右，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1－15。

图1-15 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。
（1）在输入信号正半周（0~t1时刻），D1导通，D2关断，电路等效为电压跟随器（图中b电路）：
在D1、D2导通之前，电路处于电压放大倍数极大的开环状态，此时（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，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，电路变身为跟随地电平的电压跟随器，输出端仍能保持零电位。
（2）在输入信号负半周（t1~t2时刻），D1关断，D2导通，电路等效反相器（图中c电路）：
在输入信号的负半波期间，（D1、D2导通之前）微小的输入信号即使输出端变正，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。
   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1-16所示。

图1-16 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？
对精密整电路的故障检测，其前提是：所有运算放大器，均是直流放大器，甚至可以施加直流电压信号来确定电路好坏。
（1）输入信号电压为零时，输出端（D2的负端为输出端），输出电压也为0V；
（2）正的电压信号输入时，输出端保持0V；
（3）负的电压信号输入时，IN=-OUT

常见全波精密整流电路形式：
（1）精密全波整流电路之一

图1-17 精密全波整流电路之一
  如图1-7中的a电路所示，N1及外围电路构成正半波输入2倍压反相整流放大电路，N2为反相求和电路。若输入信号峰值为±2V的正弦波信号电压，则a点输出为-4V对应输入正半波的电压信号；此信号经在N1反相输入端与输入信号相加（－4V+2V=-2V），得到-2V的脉动直流（在后级电路需要正的采样电压时）输入信号，又经N2反相求和电路，得到2V脉动直流信号。电路起到全波或桥式整流电路同样的作用，但整流线性和精度得到保障。
该电路形式比之图1-16电路，采用一级反相加法器，为实用电路。另外，若令R1=R2=R4=R5，令R3=1/2R1，将偏置电路的参数改变后，电路全波整流性能仍然是相同的。同一功能电路，可以有多种设计模式，正所谓条条大道通罗马。
（2）精密全波整流电路之二

图1-18 精密全波整流电路之二
将图-18全波整流电路的工作原理简述如下：输入正半波期间（Vi>0），N1输入端电压<0，D1通，D2断；同时正向输入电压送入N2同相输入端，D3断、D4通。此时等效为电压跟随器电路，将正半波信号输送到Vo端，即Vi=Vo。
在输入负半波期间（Vi<0），N1的输出端>0，D1断，D2通；N2因输入负半波导致D4断，D3通，输出信号回路被阻断。此时N1变身为反相器电路，将输入负半波倒相后送至Vo端。
   利用D1~D2的单向导电——通、断特性与放大器配合，巧妙地完成了全波整流任务。
（3）精密全波整流电路之三

图1-19精密全波整流电路之三
  将图1-19电路简述一下：此为高输入阻抗（输入信号进入N1、N2的同相输入端，输入信号电流近于零）全波整流电路，输入正半波期间，D1通，D2断，N2（此时为电压跟随器）将输入正半波送至Vo端；输入负半波期间，D1断，D2通，N1此时变身为2倍压同相放大器，其输出信号电压向Vi信号同时送入N2（此时变身为减法器），经相减后输出负向的全波整流电压。
分析该电路原理（如图1-19），除了采用电阻串联分压那把金钥匙之处，尚应注意以下两点：
1）确定电路的基本电路构成。如N1为2倍压反相放大器，N2为减法器电路；
2）动态中“变身倾向”的定性。如N2在输入正半波期间变身为电压跟随器。
掌握此两个要点，根据信号输入（动、静态或正、负半波状态）变化，把握放大器的“七十二变”，从而推导出输出端信号电压的变化规律。
对精密整电路的故障检测，前文已有述及，可更为简化为一个原则：输出为输入的绝对值。要么Vi=Vo，要么Vi=-Vo。此为检测其工作状态的依据。

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咸庆信
2016年11月15日

不客气，学习心得分享一下。是的，凡事抓纲，纲举目张啊。

是的，是的，漏了一个字，已经改过，是“D3断，D4通”。此时N2为电压跟随器，将输入正半波“搬到”输出端，即Vi=Vo。