精密检波电路

第三章信号调理电路 3 1精密整流电路二极管的整流特性 VD r的影响精密半波电路的工作原理以及误差分析精密全波电路中的简单绝对值电路 3 1精密整流电路 整流 把正负极性交变的信号转换成单极性的直流信号称为整流 线性整流 单极性的直流输出电压与输入交流信号的幅值呈线性比例关系的整流称为线性整流 又称精密整流 3 1 1概述 q 电子电荷量 1 6 10 19CT 绝对温度 K K 波尔兹曼常数 1 38 10 23J K 二极管的伏安特性及等效电路 二极管整流电路的畸变 为实现精密的线性整流 必须解决两个问题 一是改善二极管的非线性特性 以实现良好的线性转换关系 二是减少二极管阈值电压的影响 使其能对尽可能小的输入信号进行转换 采用运放和普通二极管组成的有源整流电路 能有效的解决以上两个问题 按整流特性分 精密半波整流电路 精密全波整流电路和峰值整流电路 3 1 2精密半波整流电路 当vi 0时 运放的输出电压Vo 为正 二极管D1截止 D2导通 相当于反相比例放大器 其输出电压Vo R2 R1 Vi 当vi 0时 运放的输出电压Vo 为负 二极管D2截止 D1导通 输出电压Vo 0 精密半波整流电路的输出电压为 精密半波整流电路 精密半波整流电路 精密半波整流器的波形 精密半波整流电路 特性曲线如果需要对输入电压的正半周进行检波 只要把图中的两个二极管同时反接即可 误差分析 考虑运算放大器开环增益Ao有限 二极管阈值电压为VD 非线性电阻为r 为了计算由此所产生的非线性误差 考察精密半波检波电路等效电路如下图 等效电路 a 在Vi 0时 由回路1得 由回路2得 即 等效电路方程 两式联立求得 等效电路方程 式中 因为 最后得到 精密半波整流电路 精密半波整流输出电压表达式 可见 在精密半波整流电路中 二极管的阈值电压VD和非线性电阻r仍会影响电路的输出而造成误差 由于负反馈的作用 这种影响减小为原来的1 Ao 精密半波整流电路 精密半波整流电路 电路用作平均值测量 当输入电压为正弦波时 输出电压的平均值为 VD引起的相对误差为 r引起的相对误差为由于A 很大 所以上述误差是很小的 例如 若Ao 105 R1 R2 10k Vim 1V 采用硅二极管 其阈值电压VD 0 5V 二极管导通时最大电阻r 500k 则由上式计算出的相对误差分别为 V 0 r 0 l 注意 精密半波整流电路 注意 精密整流电路的工作频率在大信号时会受到运放压摆率 SR 的限制 在小信号时 又会受到运放 3dB带宽 fc 的限制 必须根据实际工作频率选择合适的集成运算放大器 才能保证整流器的整流精度 精密半波整流电路 精密半波整流电路 绝对值电路 以精密半波整流电路为基础 可以构成精密全波整流电路 这种电路不管输入是正还是负 输出总是正电压 故又称为绝对值电路 3 1 3精密全波整流电路 一 精密全波整流电路 简单绝对值电路 Vo1 该电路由半波整流电路加加法器组成 取R1 R2 R3 R5 2R4 R4 RO 当时 通 止 精密全波整流电路 0 0 0 精密全波整流电路 V01 精密全波整流电路 0 0 0 当时 通 止 精密全波整流电路 精密全波整流电路 简单绝对值电路的波形图及特性 精密全波整流电路 本精密全波整流电路特点 优点 结构简单 明了缺点 匹配电阻过多 输入阻抗较低 Ri R1 R3 适用于低频时工作 分析输出电压与输入电压之间的关系 并说明电路的功能 二 仅需一对匹配电阻的绝对值电路 当Vi 0时 V01 0 D1通 D2止 同向输入使得D4通 D3止 工作原理 二 仅需一对匹配电阻的绝对值电路 当Vi0 D1止 D2通 同向输入使得D4止 D3通 工作原理 综合上述 电路的输出 输入关系为 工作原理 即有 所以该电路亦能实现绝对值运算 而且仅需要一对匹配电阻 但是该电路的输入电阻依然较低 它取决于R1的大小 即 Ri R1 工作原理 三 高输入阻抗绝对值电路 由于同相输入电路的输入阻抗很高 若将半波检波电路和加法电路都采用同相输入的形式就能大大提高输入阻抗 图所示电路 输入阻抗约等于两个运放的共模输入电阻的并联 可高达10M 以上 工作原理 当Vi 0时D1导通 D2截止 A1的反相端电位与A2反相端电位相等 且均等于Vi 此时R2和R3上无电流 因D2截止 R2 R3两端电位相等 因而R4上也不可能有电流 所以A2为同相跟随器 其输出电压为 Vo Vi 工作原理 工作原理 当Vi 0时D1截止 D2导通 工作原理 若按下式选取匹配电阻 则得 V Vi可见 该电路实现了绝对值运算 该电路输入阻抗高 但需要四只匹配电阻 而且由于采用同相电路 必须注意运放的共模抑制比和共模输入电压范围的选用 工作原理 四 高精度绝对值电路 Vi 0 S1导通 S2断开 Vi 0 S2导通 S1断开 这种电路可对1mV左右的小信号进行检测 其误差小于0 05 3 1 4峰值整流电路 峰值整流电路是用来检测变化的输入信号峰值的电路 最基本的峰值电路是由半波整流电路 记忆电容和缓冲放大器组成的反馈电路 峰值整流电路 设电路的初始状态为Vi 0 Vc Vo 0 当Vi为正时 D1截止 D2导通 当Vi为正时 D1截止 D2导通 电容C很快被充电 使Vc Vi Vo Vi 即输出电压Vo随着输入电压Vi的增大而增大 但不会超过Vi 峰值整流电路 工作原理 当Vi增大到峰值后开始下降时 A1的同相端电压就小于反相端电压 从而使得D1导通 D2截止 电容C处于记忆状态 其电压Vc保持不变 则输出电压Vo保持为输入信号的第一个峰值Vimax 当Vi Vo时 重复上述过程 若把二极管D1 D2反接 可构成负峰值整流电路 由正峰值和负峰值整流电路可组成峰 峰值整流电路 峰值整流电路 峰值整流电路 EWB电路 仿真波形 EWB软件简介 电子工作平台ElectronicsWorkbench EWB 现称为MultiSim 软件是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于八十年代末 九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件 它具有这样一些特点 1 采用直观的图形界面创建电路 在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台 绘制电路图需要的元器件 电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取 2 软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似 可以实时显示测量结果 3 EWB软件带有丰富的电路元件库 提供多种电路分析方法 4 作为设计工具 它可以同其它流行的电路分析 设计和制板软件交换数据 5 EWB还是一个优秀的电子技术训练工具 利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验 仿真电路的实际运行情况 熟悉常用电子仪器测量方法 3 1 5整流电