如何使用运算放大器构建精密整流电路

作者：Debashis Das

整流器是将交流电 （AC） 转换为直流电 （DC） 的电路。交流电总是随着时间改变其方向，但直流电却不断地沿一个方向流动。在典型的整流器电路中，我们使用二极管将交流电整流为直流电。但这种整流方法只能在电路的输入电压大于二极管的正向电压（通常为 0.7V）时使用。

为了克服这个问题，引入了精密整流电路。精密整流器是另一种将交流电转换为直流电的整流器，但在精密整流器中，我们使用运算放大器来补偿二极管两端的电压降，这就是为什么我们不会损失 0.6V 或 0.7V 电压降的原因。二极管，也可以将电路构造为在放大器的输出端也有一些增益。

因此，在本教程中，我将向您展示如何使用运算放大器构建、测试、应用和调试精密整流器电路。除此之外，我还将讨论这条赛道的一些优点和缺点。所以，事不宜迟，让我们开始吧。

什么是精密整流电路？

在我们了解精密整流电路之前，让我们先弄清楚整流电路的基础知识。

上图显示了理想整流电路的特性及其传递特性。这意味着当输入信号为负时，输出将为零伏，当输入信号为正时，输出将跟随输入信号。

上图显示了一个实用的整流电路及其传输特性。在实际的整流器电路中，输出波形将比施加的输入电压小 0.7 伏，传输特性将如图所示。此时，只有当施加的输入信号略大于二极管的正向电压时，二极管才会导通。

现在基本知识已经结束，让我们将注意力转移到精密整流器电路上。

精密整流器的工作

上面的电路显示了一个基本的半波精密整流器电路，带有一个LM358 运算放大器和一个 1n4148 二极管。要了解运算放大器的工作原理，您可以遵循此运算放大器电路。

上面的电路还给大家展示了精密整流电路的输入输出波形，正好等于输入。那是因为我们从二极管的输出中获取反馈，运算放大器会补偿二极管上的任何电压降。因此，二极管的行为类似于理想二极管。

现在在上图中，您可以清楚地看到当输入信号的正负半周期应用于运算放大器的输入端时会发生什么。该电路还显示了电路的传输特性。

但是在实际电路中，你不会得到如上图所示的输出，让我告诉你为什么？

在我的示波器中，黄色信号是输入，绿色信号是输出。我们不是得到半波整流，而是得到一种全波整流。

上图显示了当二极管关闭时，信号的负半周期是通过电阻流向输出，这就是为什么我们得到像输出一样的全波整流，但这不是实际的案子。

让我们看看当我们连接一个1K 负载时会发生什么。

电路如上图所示。

输出看起来像上图。

输出看起来像这样，因为我们实际上已经形成了一个带有两个 9.1K 和一个 1K 电阻的分压器电路，这就是为什么信号的输入正半部分刚刚被衰减的原因。

同样，上图显示了当我将负载电阻值从 1K 更改为 220R 时会发生什么。

这不是该电路存在的最小问题。

上图显示了一个下冲条件，其中电路的输出低于零伏并在某个尖峰后上升。

上图显示了上述两个电路的下冲情况，有负载和无负载。这是因为，只要输入信号低于零，运算放大器就会进入负饱和区，结果就是所示图像。

我们可以说的另一个原因是，每当输入电压从正向负摆动时，运算放大器反馈开始发挥作用并稳定输出需要一些时间，这就是为什么我们要使尖峰电压低于零伏的原因输出。

发生这种情况是因为我使用的是转换率低的果冻豆 LM358 运算放大器。只需放置一个具有更高压摆率的运算放大器，您就可以解决这个问题。但请记住，这也会发生在电路的较高频率范围内。

改进的精密整流电路

上图显示了改进的精密整流电路，通过它我们可以减少上述所有缺陷和缺点。让我们研究一下电路并弄清楚它是如何工作的。

现在在上面的电路中，您可以看到如果正弦信号的正半部分用作输入，二极管 D2 将导通。现在上面的路径（黄线）已经完成，运算放大器作为一个反相放大器，如果我们看点 P1，电压为 0V，因为在该点形成了虚拟地，所以电流不能流过电阻R19，在输出点P2，由于运算放大器正在补偿二极管压降，电压为负0.7V，因此电流无法流向P3点。因此，只要将信号的正半周期施加到运算放大器的输入端，我们就是如何实现 0V 输出的。

现在让我们假设我们已将正弦交流信号的负半部分应用到运算放大器的输入端。这意味着施加的输入信号小于 0V。

此时，二极管 D2 处于反向偏置状态，这意味着它是开路的。上图正好告诉你。

由于二极管 D2 处于反向偏置状态，电流将流过电阻器 R22，在点 P1 处形成虚拟接地。现在，当施加输入信号的负半部分时，我们将在输出中得到一个正信号，作为其反相放大器。二极管将导通，我们将在 P3 点获得补偿输出。

现在输出电压将为 -Vin/R2 = Vout/ R1
所以输出电压变为 Vout = -R2/R1* Vin

现在让我们在示波器中观察电路的输出。

没有任何负载的电路的实际输出如上图所示。

现在对电路进行分析，半波整流电路就足够了，但在实际电路中，半波整流就没有实际意义了。

正因为如此，才引入了全波整流电路，要实现全波精密整流，我只需要做一个求和放大器，基本就这些了。

使用运算放大器的精密全波整流器

为了制作全波精密整流电路，我刚刚在前面提到的半波整流电路的输出端添加了一个求和放大器。从这一点来看，P1 到 P2 点是基本的精密整流电路，二极管的配置使我们在输出端获得负电压。

从点P2到点P3为求和放大器，精密整流器的输出通过电阻R3馈送到求和放大器。电阻器 R3 的值是 R5 的一半，或者您可以说它是 R5/2，这就是我们设置运算放大器 2 倍增益的方式。

在电阻 R4 的帮助下，来自点 P1 的输入也被馈送到求和放大器，电阻 R4 和 R5 负责将运算放大器的增益设置为 1X。

由于 P2 点的输出直接馈送到增益为 2X 的加法放大器，这意味着输出电压将是输入电压的 2 倍。假设输入电压为 2V 峰值，因此我们将在输出端获得 4V 峰值。同时，我们直接将输入馈送到增益为 1X 的求和放大器。

现在，当求和操作发生时，我们在输出端得到一个总和电压，即 （-4V） + （+2V） = -2V，并作为输出端的运算放大器。由于运算放大器配置为反相放大器，我们将在输出端获得 +2V，即 P3 点。

当施加输入信号的负峰值时，也会发生同样的情况。

上图是电路的最终输出，蓝色波形是输入，黄色波形是半波整流电路的输出，绿色波形是全波整流电路的输出。

所需组件

LM358 运算放大器 IC - 2
6.8K，1% 电阻 - 8
1K 电阻 - 2
1N4148 二极管 - 4
面包板 - 1
跳线 - 10
电源 （± 10V） - 1
原理图，示意图

使用运算放大器的半波和全波精密整流电路图如下：

在此演示中，电路在原理图的帮助下构建在无焊面包板上；为了减少寄生电感和电容，我将组件连接得尽可能近。

进一步增强

可以进一步修改电路以提高其性能，就像我们可以添加一个额外的滤波器来抑制高频噪声一样。

该电路仅用于演示目的。如果您考虑在实际应用中使用此电路，则必须使用斩波型运算放大器和高精度 0.1 欧姆电阻来实现绝对稳定性。