Прецизионные выпрямители на операционных усилителях

Однополупериодные и двухполупериодные активные выпрямители с высокой линейностью, а также широким динамическим диапазоном для детекторов сигналов переменного тока

Активные выпрямители на операционных усилителях (ОУ) предназначены для выделения абсолютного значения входного сигнала при широком динамическом диапазоне его изменения (от долей милливольта до единиц вольт).

Выбор операционного усилителя определяет частотный диапазон преобразуемого сигнала. К примеру, доступные ОУ TL071, TL072 или аналогичные (с частотой единичного усиления 3...5 МГц и скоростью нарастания 10...15 В/мкс) смогут корректно обработать сигналы вплоть до 120...160 кГц. А если, предположим, вам нужно выпрямить 500 кГц, то альтернативой будет являться более высокочастотный LM318.

Переходим с схемотехнике однополупериодных и двухполупериодных устройств.
Двухполупериодные выпрямители работают на обеих половинах цикла переменного тока, обеспечивая большую эффективность, чем однополупериодные выпрямители. Это обуславливает их более широкое распространение, однако, учитывая простоту однополупериодных устройств, бегло пробежимся и по ним.

1. Однополупериодные выпрямители на ОУ


Рис.1 Базовая схема однополупе-              Рис.2 Улучшенная схема однополупе-
риодного выпрямителя на ОУ                   риодного выпрямителя на ОУ

На Рис.1 приведена простейшая схема однополупериодного выпрямителя.
При положительном входном сигнале диод открыт, действует 100% отрицательная обратная связь, эффективно удаляющая прямое напряжение на диоде – выходное напряжение почти идеально повторяет положительную волну входного сигнала.
Когда входной сигнал становится отрицательным, диод закрывается, ООС размыкается, амплитуда на выходе ОУ устремляется к минусу источника питания, а на выходе выпрямителя – к нулю (т. к. диод закрыт, а выход притянут резистором R2 к земле).
Схема вполне работоспособна, однако из-за насыщения ОУ (при отрицательной полуволне входного сигнала) она ограничена относительно низкими частотами (менее 10 кГц) и становится приемлемо линейной только при сигналах выше 10 мВ или около того, в зависимости от применяемого ОУ.
Входное сопротивление данного выпрямителя определяется номиналом резистора R1, который может быть выбран достаточно высоким.

Улучшенная схема однополупериодного выпрямителя приведена на Рис.2.
Дополнительный диод предотвращает насыщение операционного усилителя при отрицательной полуволне, что приводит к увеличению быстродействия и повышению линейности – сигнал амплитудой 2 мВ уже выпрямляется с достаточно хорошей точностью. Входное сопротивление также определяется номиналом резистора R1, однако не существует возможности его значительного увеличения, так как при этом ухудшаются частотные и линейные характеристики выпрямителя.

2. Двухполупериодные выпрямители на ОУ


Рис.3 Стандартная двухполупериодная схема выпрямителя на ОУ

На Рис.3 приведена распространённая двухполупериодная версия прецизионного выпрямителя. Допуски резисторов R1...R5 имеют решающее значение для получения хорошей производительности, все они должны обладать погрешностью не менее 1%. При указанной на схеме полярности диодов выпрямленный выходной сигнал имеет положительную полярность. Для улучшения частотной характеристики схемы значения резисторов следует пропорционально уменьшить.
Входное сопротивление выпрямителя с указанными номиналами резисторов составляет примерно 6.7 кОм. Для достижения высокой точности преобразования сопротивление источника сигнала должно быть значительно меньше, оптимально, чтобы в качестве этого источника выступал каскад, выполненный на ОУ.
При использовании операционных усилителей TL072 схема имеет хорошую линейность, начиная с 2 мВ, на частотах 0...150 кГц. Если вам нужна большая чувствительность и/или более высокие частоты, то рекомендуется использовать высокочастотные диоды, более низкие значения сопротивлений и более быстрые ОУ.

Следующая схема выпрямителя на ОУ, часто фигурирующая в радиоэлектронной литературе, изображена на Рис.4.


Рис.4 Ещё одна схема двухполупериодного выпрямителя на ОУ

При указанных номиналах резисторов схема имеет входное сопротивление Rвх = R1, и коэффициент передачи, равный единице. Уменьшая величину этого резистора, можно добиться пропорционального увеличения усиления и пропорционального уменьшения входного сопротивления.
Одним из довольно полезных свойств данного построения является возможность суммирования двух или нескольких входов. Делается это простым дублированием резистора R1, чтобы получить ещё один вход, и это можно расширить.
На схемах, приведённых в различных источниках, как правило, не используется резистор R6. И хотя схема будет работать и без него, однако за счёт различия входных сопротивлений прямого и инверсного входов возникает разница между амплитудами положительных и отрицательных полуволн выпрямленного сигнала.

Хорошая, но не так часто встречающаяся в литературе схема двухполупериодного выпрямителя изображена на Рис.5.

Рис.5 Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя

На Рис.5 слева показан простой вариант выпрямителя с Ku = 1, справа – вариация, обладающая усилением, которое можно рассчитать по формуле, приведённой на схеме.

Во многих случаях удачным выбором окажется упрощённая версия выпрямителя, показанная на Рис.6.


Рис.6 Упрощенная версия двухполупериодной схемы выпрямителя на ОУ

Эта простая схема удовлетворит большинство низкочастотных приложений, в которых важна хорошая линейность, начиная с 15...20 мВ. Там, где необходимо выпрямить очень низкие уровни, рекомендуется сначала усилить сигнал, хотя использование диодов Шоттки также улучшит низкоуровневые характеристики без использования дополнительного усилителя.
Работа на частотах в несколько десятков и сотен кГц возможна при использовании быстрых операционных усилителей и диодов.
Номинал R1 определяет входное сопротивление устройства и может быть выбран сколь угодно высоким без ухудшения линейности.

Ещё более простую вариацию построения двухполупериодного выпрямителя можно увидеть на Рис.7.


Рис.7 Ещё более простая схема двухполупериодного выпрямителя на ОУ

Во время отрицательного полупериода входного сигнала (диод открыт) ОР1.1 функционирует как обычный инвертирующий усилитель с Кu = -1.
Во время отрицательного полупериода диод закрывается и входной сигнал через резисторы R1 и R2 подаётся на высокое входное сопротивление повторителя ОР1.2.
Входное сопротивление данного выпрямителя нелинейно – оно очень велико для положительных полупериодов входного сигнала, но для отрицательных полупериодов составляет всего 10 кОм.

Важной особенностью приведённой выше схемы является возможность её работы с однополярным питанием ОУ (Рис.8).


Рис.8 Схема двухполупериодного выпрямителя с однополярным питанием

К ОУ, работающим в данной схеме с однополярным питанием, предъявляются следующие требования: входы должны "уметь" работать с напряжениями нулевого уровня, а выход также должен опускаться до напряжения, близкого к нулю вольт.

Кстати, для операционных усилителей, имеющих структуру Rail-to-Rail, возможно построение однополярного двухполупериодного активного выпрямителя вообще без диодов (Рис.9).


Рис.9 Схема однополярного двухполупериодного выпрямителя без диодов

Во время положительной полуволны входного сигнала повторитель на ОР1.1 передает входной сигнал с Кu = 1. Учитывая то, что при указанных на схеме номиналах резисторов, усилитель на ОР1.2 по неинвертирующему входу обладает усилением 2, а по инвертирующему – минус 1, то в этот период выходное напряжение повторяет входное.
Во время отрицательной полуволны входного сигнала выход повторителя ОР1.1 «насыщается землей», из-за чего напряжение на его выходе равно 0. При этом напряжение на выходе выпрямителя повторяет входное, но со знаком минус.
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 OPA2374 имеет структуру Rail-to-Rail, размах выходного напряжения ограничен только величиной напряжения на положительной шине питания. На данном ОУ выпрямитель позволяет линейно работать во всём диапазоне звуковых частот.
Входной сигнал должен быть симметричен относительно земли. Если входное напряжение имеет постоянную составляющую, выпрямитель необходимо дополнить разделительным конденсатором на входе.

Последняя схема (Рис.10) представляет собой двухполупериодный выпрямитель, предназначенный для управления стрелочным индикатором.


Рис.10 Двухполупериодный выпрямитель для стрелочного индикатора

Схема представляет собой преобразователь напряжения в ток. При номинале R2 = 1k крутизна преобразования составляет 1 мА/В.
Для точной калибровки выпрямителя этот резистор, как правило, заменяется на построечный, а для того чтобы обеспечить демпфирование индикатора, зачастую параллельно ему подключается конденсатор.


Литература:
1. Rod Elliott (ESP) – Precision Rectifiers
2. Anthony H. Smith – Full-Wave Active Rectifier Requires No Diodes
3. Журнал Компоненты и технологии, № 11’2006, П. Михалев, «Новое семейство прецизионных микросхем компании National Semiconductor»