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有源整流电路:将交流电转换为直流电

2020年10月04通过罗伯特Keim
在本视频中,我们将讨论有源整流器,这是一个基于运算放大器的电路,它使用一个正常的二极管结合负反馈来校正信号,而不会在输入电压和整流输出电压之间产生显著的幅值差。
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即使被典型的硅二极管完全阻塞的信号,因为它们永远不会超过二极管的阈值电压,也可以被有源整流器精确地整流。

术语“整流器”一词源于拉丁语,意思是“直,“这就是为什么我们用它来识别电路“理顺”交变电流,确保电流只在一个方向,即使源电压通常会产生电流流入的积极和消极的方向。

最基本的整流电路就是一个二极管,事实上,“整流”这个词不仅可以指整个电路,也可以指作为单个元件的二极管。二极管是简单有效的整流器,它们被广泛用于这一目的。

然而,在某些应用中,二极管的压降可能会产生问题。直到两端的电压达到阈值,二极管才开始传导大量的电流,这意味着二极管不能复制输入信号的全部正极部分。

同样,这个二极管电压在器件完全导电后仍然存在,导致功率损耗等于通过二极管的电压乘以流过二极管的电流。

运算放大器整流

有源整流器可以实现如下图所示。


两个基本部件是运算放大器和二极管。然而,在电路图中包含一个电阻是很重要的,因为二极管的工作原理是阻塞或传导电流,我们需要包含负载电阻,以便将电流转换成我们可以测量并与输入信号相比较的电压。

了解有源整流器

有源整流器的目的是克服单个二极管的非理想整流行为。该电路通过使用负反馈和放大来“绕过”二极管不导电的电压范围来实现这一点。

当二极管导电时,电路本质上是一个电压跟随器:施加在负载上的电压也是反馈到反相输入端的电压,因此运算放大器将调整其输出电压以任何方式使负载电压等于输入电压(\(V_{in}\))。

下图直观地传达了这个概念,并强调了虚拟短。如果二极管导通,就有负反馈。


当有负反馈时,反相端子的电压与非反相端子的电压相等,且由于反相端子接到\(V_{OUT}\), \(V_{OUT}\)等于\(V_{IN}\)。

理解有源整流器操作的关键是要认识到电路的功能是一个电压跟随器即使输入电压远低于二极管的阈值电压。如果输入电压低于0v,则二极管为开路,反相输入端通过负载电阻接地。

一旦输入电压升到地面上,两个输入端子之间就会有一个正的差电压,运算放大器的高开环增益导致输出电压很大。这个输出电压使二极管开始导电,电路成为电压跟随器。

改进的有源整流器

上面所示的基本有源整流器在现实电路中用处有限,因为它依赖于输出饱和。

当输入电压低于0v时,二极管为开路,运算放大器的输入端之间有一个负的差分电压。这个负的差分电压乘以运算放大器的高开环增益,因此输出被一路驱动到负供电轨。

强迫运放从输出饱和反复恢复通常是不可取的,而且输出电压潜在的大波动会降低电路对高频信号的校正能力。

通过如下图所示的修改有源整流器,我们可以防止输出饱和。


注意,我们现在把输入信号连接到运放的反相输入端。

当输入信号大于0v时,\(D_1\)为开路,\(D_2\)导通。因此,一个负反馈路径被建立(防止饱和)和虚拟短路是活跃的,但输出节点断开与运放的输出端子。因此,当输入电压为正时,输出节点通过\(R_2\)和\(R_L\)接地。

对于负输入电压,\(D_2\)为开路,\(D_1\)导通。在这种情况下,电路的功能相当于反相放大器,即\(V_{OUT}\)等于\(V_{IN}\)乘以\(-R_2/R_1\)。因此,这种改进的有源整流器实际上是一个反相整流器。

总结

  • 整流器能把交流电转换成直流电。二极管起整流器的作用,因为它只允许电流向一个方向流动。
  • 基本的有源整流器由运算放大器和二极管组成。它使用负反馈和高增益来“旁路”二极管的阈值电压。
  • 在改进的有源整流器中,附加了一个二极管,以防止与输出饱和相关的问题。