Двухполупериодный активный выпрямитель без диодов

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:

V_OUT = (1 + K)V_O – KV_IN (V)

где K = R3/R2.

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.

Рисунок 1.	Для двухполупериодного выпрямителя нужно всего лишь два операционных усилителя, несколько резисторов, и ни одного диода.

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:

(R4/R5) = (K – 1)/(K + 1)

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

Рисунок 2.	Схема будет усиливать сигнал, если добавить в нее два резистора R4 и R5.

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).

Рисунок 3.	Осциллограмма показывает реакцию схемы на синусоидальный сигнал частотой 10 кГц (коэффицент усиления = 10) (20 мкс/дел.). Верний луч отбражает входной сигнал (200 мВ/дел.), а нижний - выходной (2 В/дел.).

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.