小信號精密整流電路設計

朱文彬　王海燕

摘 要：精密整流的作用是將交流小信號在過零處準確轉換為直流信號。傳統的二極管整流電路中，當輸入電壓小于二極管的開啟電壓時，二極管截止，輸出電壓為零；當輸入電壓大于開啟電壓，并使二極管完全導通，此時輸出電壓等于輸入電壓減二極管導通電壓，輸出電壓小于輸入電壓，即輸出電壓只能反映出輸入大于導通電壓的部分。因此，當輸入電壓值較小，為某一交流小信號時（信號有效值與二極管的導通電壓相近），二極管整流電路就會產生明顯失真。所以，對交流小信號的整流不能用二極管。本文中所論述的小信號精密整流電路，是以運算放大器為核心器件，將雙極性信號轉換為單極性信號。

關鍵詞：交流；小信號；整流；運放；波形

中圖分類號： TU9 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-176-2

1 電路組成

1.1 電路組成框圖

交流小信號首先經過半波整流部分產生一半波信號，該信號再送入后級與輸入信號進行疊加反向，輸出的波形為全波整流信號。這個信號經一階濾波電路后可得到較為平穩的直流信號。

1.2 電路原理圖

電路圖中由U1、D1、D2、R1、R2構成半波整流部分；由U2、R3、R4、R5構成疊加反向部分；由R6、C1構成一階濾波部分。

假設電路中二極管導通電壓為0.7V，而集成運放的開懷放大倍數一般為萬倍級，此時運放輸入端僅需微伏級的凈輸入量就能使二極管導通。所以，運放輸入端電壓的微小變化，就能使輸出跟隨其發生變化。小信號精密整流電路正是利用了這一特點，來實現對交流小信號的整流。

電路中集成運放的型號主要根據輸入信號的電壓幅度及頻率進行選擇。通常會選擇幅值范圍較大的軌到軌運放。

2 電路工作原理分析

2.1 半波整流部分

2.1.1 當輸入交流小信號為電壓正半周時：

因為ui>0，所以U1的輸出電壓uo1<0，使D1導通、D2截止。此時R1、R2、U1構成反向比例放大電路，其輸出電壓uo1=-（R2/R1）ui。電路中取R1=R2，所以uo1=-ui，電路為放大倍數為-1的反向放大電路。

2.1.2 當輸入交流小信號為電壓負電壓時：

因為ui<0，所以U1的輸出電壓uo1>0，使D1截止、D2導通。由于D1截止，使U1輸出端的信號uo1不送入下一級（即U2的輸入端）；因為同向端接地，所以反向端電壓為零，而此時D2導通，因此U1的輸出電壓uo1被鉗位在0V（即uo1=0）。

2.2 疊加反向部分

由硬件電路圖可知，R3、R4、R5和U2共同構成了個反向加法電路，它將輸入信號ui和U1的輸出信號uo1進行反向疊加運算。uo2=-（R5/R3）uo1-（R5/R4）ui，因為2R3≈R5、R4=R5，所以uo2=-2uo1-ui。

2.2.1 當輸入交流小信號為電壓正半周時：

①uo1為輸入信號：因為U1輸出的電壓為uo1=-ui，該信號經U2后輸出為uo2=2ui；

②ui為輸入信號：該信號的輸出為uo2〞=-ui；

③U2的輸出uo2=uo2+uo2〞= ui。即當輸入為正半周時，為等量同向輸出。

2.2.2 當輸入交流小信號為電壓負電壓時：

①uo1為輸入信號：uo1被鉗位在0V，即R3左側電壓為0，而R3右側電壓根據虛短可知也為0，所以理想情況下此時無電流流入U2，即uo2=0；

②ui為輸入信號：該信號的輸出為uo2〞=-ui；

③U2的輸出uo2= uo2+ uo2〞=-ui。即當輸入為負半周時，為等量反向輸出。

2.2.3 在整個周期內：U2的輸出為正半周電壓加負半周的反向電壓，從而實現了交流整流。

2.3 電路等效框圖

在整個周期范圍內，通過R1、R2的支路的放大倍數為-1，通過R3的支路的放大倍數為-2，通過電阻R4的支路的放大倍數為-1。所以，該小信號精密整流電路可以用下面的等效框圖表示。

3 波形仿真

3.1 U1輸出仿真波形

3.2 U2輸出仿真波形

3.3 濾波后波形

參 考 文 獻

[1] 賽爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].西安交通大學出版社，2009.

[2] 科特爾.運算放大器權威指南[M].人民郵電出版社，2010.

[3] 岡村迪夫.OP放大電路設計[M].科學出版社，2011.