7.2: Прецизійні випрямлячі

Уявіть собі на мить, що ви хотіли б наполовину випрямити вихід генератора. Напевно, перше, що спливає в голову - це використання діода, як на рис\(\PageIndex{1}\). Як показано, діод пропускає позитивні напівхвилі і блокує негативні напівхвилі. Але, що станеться, якщо вхідний сигнал становить лише пік 0,5 В? Випрямлення ніколи не відбувається через те, що для включення діода потрібно від 0,6 до 0,7 В. Навіть якщо використовується германієвий пристрій з прямим падінням 0,3 В, значна частина сигналу буде втрачена. Мало того, схема малюнка\(\PageIndex{1}\) демонструє значно різні опори до джерела водіння. Навіть якщо сигнал досить великий, щоб уникнути труднощів падіння напруги вперед, опір джерела повинен бути відносно низьким. На перший погляд здається, ніби виправити невеликий сигнал змінного струму неможливо з будь-якою надією на точність.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Пасивний випрямляч.

Одним із пунктів, зазначених у главі 3 про негативні відгуки, був той факт, що він, як правило, компенсував помилки. Негативний зворотний зв'язок має тенденцію до зменшення помилок на величину, рівну коефіцієнту посилення циклу. У цьому випадку слід зменшити пряме падіння напруги діода на дуже великий коефіцієнт, розмістивши його всередині контуру зворотного зв'язку. Це показано на малюнку\(\PageIndex{2}\), і називається прецизійним напівхвильовим випрямлячем.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Прецизійний напівхвильовий випрямляч.

До першого наближення, коли вхід позитивний, діод зміщений вперед. По суті, схема зводиться до простого послідовника напруги з високим вхідним опором і коефіцієнтом посилення напруги одного, тому вихід виглядає так само, як вхід. З іншого боку, коли вхід негативний, діод зміщується в зворотному напрямку, відкриваючи петлю зворотного зв'язку. Сигнальний струм не допускається до навантаження, тому вихідна напруга дорівнює нулю. Однак завдяки операційному підсилювачу джерело водіння все ще бачить високий імпеданс. Форма вихідного сигналу складається лише з позитивних частин вхідного сигналу, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Через вплив негативного зворотного зв'язку навіть невеликі сигнали можуть бути належним чином виправлені. Отримана характеристика перенесення представлена на рис\(\PageIndex{4}\). Ідеальна крива вводу/виходу один до одного розглядається для позитивних вхідних сигналів, тоді як негативні вхідні сигнали створюють вихідний потенціал нуля.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Вихідний сигнал.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Характеристика перенесення.

Для того, щоб створити вихідну форму сигналу схеми, операційний підсилювач створює зовсім іншу форму сигналу на своєму вихідному штирі. Для позитивних частин входу операційний підсилювач повинен видавати сигнал, який приблизно на 0,6 - 0,7 В більше, ніж вихід кінцевої схеми. Цей додатковий сигнал ефективно компенсує пряме падіння діода. Оскільки сигнал зворотного зв'язку виводиться після діода, компенсація настільки близька, як дозволяє наявне посилення петлі. На низьких частотах, де коефіцієнт посилення циклу високий, компенсація майже точна, створюючи майже ідеальну копію позитивних сигналів. Коли вхідний сигнал коливається негативно, операційний підсилювач намагається занурити струм у відповідь. При цьому діод стає зворотним зміщенням, а потік струму зупиняється. У цей момент неінвертуючий вхід операційного підсилювача побачить великий негативний потенціал щодо інвертуючого входу. Отриманий негативний сигнал помилки змушує вихід операційного підсилювача перейти до негативного насичення. Оскільки діод залишається зворотним зміщенням, вихід схеми залишається на рівні 0 В. Операційний підсилювач більше не здатний керувати навантаженням. Ця умова зберігатиметься до тих пір, поки вхідний сигнал знову не стане позитивним, і в цей момент сигнал помилки стає позитивним, зміщуючи діод вперед і дозволяючи потоку струму навантаження. Форми вихідних сигналів операційного підсилювача та схеми показані на малюнку\(\PageIndex{5}\).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Вихід операційного підсилювача.

Один елемент, який слід зазначити про фігуру,\(\PageIndex{5}\) - це кількість часу, необхідного для того, щоб операційний підсилювач вмикався та вийшов з негативного насичення. Цей час визначається швидкістю вбивання пристрою. Поряд із зменшенням посилення петлі на більш високих частотах швидкість обертання визначає, наскільки точним буде випрямлення. Припустимо, що операційний підсилювач знаходиться в негативному насиченні і що виникає швидкий позитивний вхідний імпульс. Для того, щоб відстежити це, операційний підсилювач повинен спочатку вийти з негативного насичення. Використовуючи операційний підсилювач 741 з джерелами живлення\(\pm\) 15 В, знадобиться близько 26\(\mu\) с, щоб перейти від негативного насичення (-13 В) до нуля. Якщо вищезгаданий\(\mu\) імпульс шириною всього 20 с, схема не має достатньо часу для вироблення імпульсу. Вхідний імпульс знову пішов негативним, перш ніж у операційного підсилювача з'явиться шанс «вилізти зі свого отвору». Якби позитивний імпульс був трохи довшим, скажімо, 50\(\mu\) с, операційний підсилювач міг би відстежувати його частину. Результатом буде спотворений сигнал, як показано на малюнку\(\PageIndex{6}\).

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Похибки високої частоти.

Для точного виправлення швидкорухомих сигналів потрібні операційні підсилювачі з високою швидкістю\(f_{unity}\) та швидкістю обертання. Якщо потрібно випрямляти лише повільні сигнали, можна налаштувати схему з помірним коефіцієнтом посилення, якщо це необхідно, як економічний захід. Це показано на малюнку\(\PageIndex{7}\). Нарешті, для негативного напівхвильового виходу єдиною необхідною модифікацією є розворот діода.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Випрямляч з коефіцієнтом посилення.

Комп'ютерне моделювання

Мультисим моделювання схеми, показаної на малюнку\(\PageIndex{2}\), представлено на малюнку 7.8. Схема показана перемальовуванням з позначеними вузлами. У цьому прикладі використовується модель операційного підсилювача 741, розглянута раніше. Форма вихідної хвилі також показана на малюнку\(\PageIndex{8}\). Зверніть увагу на точність випрямлення. Вихід операційного підсилювача також показаний так, що ефекти негативного зворотного зв'язку,\(\PageIndex{5}\) проілюстровані в, чітко видно. Оскільки ця схема використовує точну модель операційного підсилювача, дуже повчально перезапустити моделювання для більш високих вхідних частот. Таким чином показані притаманні обмеження швидкості операційного підсилювача, і\(\PageIndex{6}\) можуть бути відзначені ефекти, такі як ті, що представлені на малюнку.

Малюнок\(\PageIndex{8a}\): Схема моделювання точного випрямляча.

Малюнок\(\PageIndex{8b}\): Вихідні форми сигналу прецизійного випрямляча.

7.2.1: Піковий детектор

Однією з варіацій основного напівхвильового випрямляча є піковий детектор. Ця схема буде видавати вихід, який дорівнює піковому значенню вхідного сигналу. Це можна налаштувати як для позитивних, так і для негативних піків. Вихід пікового детектора може бути використаний для вимірювальних приладів або вимірювальних додатків. Його також можна розглядати як аналоговий імпульсний носилок.

Простий позитивний піковий детектор показаний на малюнку\(\PageIndex{9}\). Ось як це працює: Перша частина схеми - це точний позитивний напівхвильовий випрямляч. Коли його вихід піднімається, конденсатор,\(C\), заряджається. Ця напруга подається на другий операційний підсилювач, який служить буфером для кінцевого навантаження. Вихідний опір першого операційного підсилювача низький, тому постійна часу заряду дуже швидка, і, таким чином, сигнал через\(C\) дуже близький до вхідного сигналу. Коли вхідний сигнал починає відкидатися назад до землі, вихід першого операційного підсилювача починає падати разом з ним. Завдяки напрузі конденсатора діод закінчується в зворотному зміщенні, таким чином відкриваючи привід до\(C\). \(C\)починає розряджатися, але постійна час розряду буде набагато більше постійної часу заряду. Опір розряду є функцією\(R\), імпеданс дивиться на неінвертуючий вхід операційного підсилювача 2, і імпеданс дивиться на інвертуючий вхід операційного підсилювача 1, все паралельно. Зазвичай використовуються пристрої введення FET, тому з практичної точки зору\(R\) встановлює швидкість розряду.

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Піковий детектор.

Конденсатор буде продовжувати розряджатися до нуля, поки вхідний сигнал не підніметься достатньо, щоб обігнати його знову. Якщо постійна часу розряду набагато більше, ніж вхідний період, вихід ланцюга буде значенням постійного струму, рівним піковому значенню входу. Якщо постійна часу розряду дещо коротша, це має ефект подовження часу імпульсу. Він також має ефект створення загального контуру або оболонки складних сигналів, тому його іноді називають детектором конвертів. Можливі вихідні сигнали наведені на малюнку\(\PageIndex{10}\). Для дуже тривалого часу розряду необхідно використовувати великі конденсатори. Більші конденсатори будуть, звичайно, виробляти подовження часу заряду (тобто постраждає час підйому). Великі конденсатори також можуть погіршити продуктивність повороту. \(C\)можна заряджати лише так швидко, оскільки даний операційний підсилювач може виробляти лише кінцевий струм. Це нічим не відрізняється від випадку, представленого з компенсаційними конденсаторами ще в п'ятій главі. Як приклад, якщо C дорівнює 10\(\mu\) F, а максимальний вихідний струм операційного підсилювача дорівнює 25 мА,

Малюнок\(\PageIndex{10}\): Вплив\(\tau\) на форму імпульсу.

\[ i = C \frac{dv}{dt} \nonumber \]

\[ \frac{dv}{dt} = \frac{i}{C} \nonumber \]

\[ \frac{dv}{dt} = \frac{25 mA}{10 \mu F} \nonumber \]

\[ \frac{dv}{dt} = 2500 V/s \nonumber \]

\[ \frac{dv}{dt} = 2.5 mV/\mu s \nonumber \]

Це дуже повільна швидкість вбивання! Якщо використовуються пристрої введення FET, ефективний опір розряду може бути дуже високим, тим самим знижуючи вимогу до\(C\). Для типових застосувань,\(C\) було б у багато разів менше, ніж значення, яке використовується тут. Для тривалого часу розряду необхідно використовувати високоякісні конденсатори, оскільки їх внутрішня витік буде встановлювати верхню межу опору розряду.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Позитивний піковий детектор використовується разом із простим компаратором на малюнку\(\PageIndex{11}\) для моніторингу вхідних рівнів та попередження про можливі перевантаження. LF412 - це двопакетна версія LF411. Поясніть, як це працює, і визначте точку, в якій світиться світлодіод.

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Детектор для прикладу\(\PageIndex{1}\).

Основна проблема при спробі візуально відстежувати сигнал про перевантаження полягає в тому, що пік перевантаження може прийти і піти швидше, ніж його може виявити людське око. Наприклад, сигнал може бути відправлений на компаратор, який може запалити світлодіод при перевищенні встановленого порогу. Коли вхідний сигнал падає, компаратор і світлодіод переходять у вимкнений стан. Незважаючи на те, що світлодіод світиться на піку, він залишається увімкненим протягом такого короткого часу, що люди цього не помітять. Такий результат цілком можливий в галузі зв'язку, де вихід мікрофона радіостанції буде виробляти дуже динамічні хвилі з великою кількістю піків. Ці піки можуть спричинити хаос в інших одиницях обладнання вниз по лінії. Світлодіод повинен залишатися включеним протягом більш тривалих періодів.

Схема малюнка\(\PageIndex{11}\) використовує піковий детектор для розтягування позитивних імпульсів. Потім ці розтягнуті імпульси подаються на компаратор, який приводить в рух світлодіод. Вхідні імпульси розширені, тому світлодіод буде залишатися включеним протягом більш тривалих періодів.

Постійна часу розряду встановлюється\(R\) і\(C\). Оскільки використовуються пристрої введення FET, їх імпеданс досить високий, щоб ігнорувати.

\[ T = RC \nonumber \]

\[ T = 10 M \Omega \times 10 nF \nonumber \]

\[ T = 100 ms \nonumber \]

Конденсатор 10 нФ досить малий, щоб підтримувати розумну швидкість нагнітання. Можливо, ви захочете перевірити це як вправу. Точка відключення компаратора встановлюється дільником\(\Omega\) напруги 10\(\Omega\) k/5 k при 5 В. Коли вхідний сигнал піднімається вище 5 В, вихід компаратора йде високим. Припускаючи, що пряме падіння світлодіода становить близько 2,5 В,\(\Omega\) резистор 500 обмежує вихідний струм до

\[ I_{LED} = \frac{V_{sat} − V_{LED}}{500} \nonumber \]

\[ I_{LED} = \frac{13 V−2.5 V}{500} \nonumber \]

\[ I_{LED} = \frac{10.5 V}{500} \nonumber \]

\[ I_{LED} = 21 mA \nonumber \]

LF412 повинен мати можливість подавати цей струм.

Підсумовуючи, то вхідні імпульси розтягуються піковим детектором. Якщо будь-який з результуючих імпульсів більше 5 В, компаратор спрацьовує, і запалює світлодіод. Приклад вхідної/вихідної хвилі показаний на малюнку\(\PageIndex{12}\). Єдина проблема з цим полягає в тому, що виявляються тільки позитивні піки. Якщо існують великі негативні піки, вони не призведуть до того, що світлодіод світиться. Можна використовувати подібну схему для виявлення негативних піків і використовувати цей вихід для приводу загального світлодіода разом з позитивним піковим детектором. Інший спосіб досягти цього - використовувати повнохвильовий випрямляч/детектор.

Малюнок\(\PageIndex{12}\): Форми хвиль для схеми малюнка\(\PageIndex{11}\).

7.2.2: Точний повнохвильовий випрямляч

Повнохвильовий випрямляч має вхідну/вихідну характеристику, показану на малюнку\(\PageIndex{13}\). Незалежно від того, яка вхідна полярність, вихід завжди позитивний. З цієї причини цю схему часто називають ланцюгом абсолютного значення. Конструкція прецизійного повнохвильового випрямляча трохи більше задіяна, ніж однополярні типи. Одним із способів досягнення цієї конструкції є об'єднання виходів негативних і позитивних напівхвильових ланцюгів з диференціальним підсилювачем. Інший спосіб показаний на рис\(\PageIndex{14}\).

Малюнок\(\PageIndex{13}\): Характеристика перенесення для повнохвильового випрямлення.

Малюнок\(\PageIndex{14}\): Точний повнохвильовий випрямляч.

Точний випрямляч схеми зручний\(\PageIndex{14}\) тим, що він вимагає лише двох операційних підсилювачів і що всі резистори (за винятком одного) мають однакове значення. Ця схема складається з двох частин: інвертуючого напівхвильового випрямляча і зваженого підсумовуючого підсилювача. Частина випрямляча перемальована на рис\(\PageIndex{15}\). Почнемо аналіз з цієї порції.

Малюнок\(\PageIndex{15}\): Інвертуючий напівхвильовий випрямляч.

По-перше, зверніть увагу, що схема заснована на інвертуючому підсилювачі напруги, з\(D_2\) додаванням\(D_1\) діодів. Для позитивних вхідних сигналів вхідний струм буде намагатися протікати\(R_f\), щоб створити інвертований вихідний сигнал з коефіцієнтом посилення\(R_f/R_i\). (Зазвичай коефіцієнт посилення встановлюється на одиницю.) Оскільки інвертуючий вхід операційного підсилювача є більш позитивним, ніж його неінвертуючий вхід, операційний підсилювач намагається занурити вихідний струм. Це змушує\(D_2\), завершуючи петлю зворотного зв'язку, при цьому також змушуючи\(D_1\) відключатися. Як\(D_2\) і всередині петлі зворотного зв'язку, компенсується його падіння вперед. Таким чином, позитивні вхідні сигнали посилюються та інвертуються, як у звичайному інвертуючому підсилювачі.

Якщо вхідний сигнал негативний, операційний підсилювач спробує джерело струму. Це\(D_1\) включається, створюючи шлях для потоку струму. Оскільки інвертуючий вхід знаходиться на віртуальній землі, вихідна напруга операційного підсилювача обмежена падінням від 0,6 до 0,7 В\(D_1\). Таким чином, операційний підсилювач не насичує; скоріше, він подає струм, необхідний для задоволення попиту на джерело. Вихідна полярність операційного підсилювача також змушує\(D_2\) вимикати, залишаючи вихід схеми на приблизній землі. Тому для негативних вхідних сигналів вихід схеми дорівнює нулю. Поєднання позитивних і негативних вхідних коливань створює перевернутий, напівхвильовий випрямлений вихідний сигнал, як показано на малюнку\(\PageIndex{16}\). Ця схема може бути використана самостійно в якості напівхвильового випрямляча, якщо це необхідно. Його основним недоліком є кілька обмежений вхідний опір. З плюсової сторони, оскільки схема ненасичує, вона може виявитися швидшою, ніж перший обговорюваний напівхвильовий випрямляч.

Малюнок\(\PageIndex{16}\): Вихід напівхвильового випрямляча.

Напруга в точці А на малюнку\(\PageIndex{14}\) - це вихід напівхвильового випрямляча, як показано на малюнку\(\PageIndex{16}\). Це один з двох сигналів, застосованих до літа, налаштованого навколо операційного підсилювача 2. Інший вхід на літо є вхідним сигналом основної схеми. Цьому сигналу дається коефіцієнт посилення одиниці, а полуволнового сигналу дається коефіцієнт посилення в два. Ці два сигнали будуть поєднуватися, як показано\(\PageIndex{17}\) на малюнку, щоб створити позитивний повнохвильовий вихід. Математично,

Для перших 180 градусів:

\[ V_{out} =−K \sin \omega t+2 K \sin \omega t \nonumber \]

\[ V_{out} = K \sin \omega t \nonumber \]

Для других 180 градусів:

\[ V_{out} = K \sin \omega t+0 \nonumber \]

\[ V_{out} = K \sin \omega t \nonumber \]

Для того щоб виготовити негативний повнохвильовий випрямляч, досить просто змінити полярність\(D_1\) і\(D_2\).

Малюнок\(\PageIndex{17}\): Комбінація сигналів виробляє вихід.

Приклад застосування випрямляча на основі операційного підсилювача наведено на малюнку\(\PageIndex{18}\). Ця схема використовується для виявлення небезпечних перевантажень і несправностей в звуковому підсилювачі потужності. Короткочасне відсікання сигналу може не бути серйозною проблемою в певних додатках; однак тривале відсікання може створити дуже стресові умови для гучномовців. Це також було б у випадку, якщо неправильно функціонуючий підсилювач потужності виробляв зміщення постійного струму. На жаль, просте масштабоване порівняння вхідних і вихідних сигналів підсилювача потужності може ввести в оману. Для порівняння довгострокових середніх, вхідні та масштабовані вихідні сигнали точні повнохвильові випрямлені, а потім проходять через етап виявлення піку або усереднення. Це може бути так само просто, як одна мережа RC. Потім ці сигнали порівнюються за стадією несправності. Якщо між двома сигналами існує суттєва різниця, підсилювач, швидше за все, значно відсікає сигнал або створює небажане зміщення постійного струму. Стадія несправності може потім запалити попереджувальний світлодіод, або у важких випадках схема відключення системи відключення, щоб запобігти пошкодженню інших компонентів.

Малюнок\(\PageIndex{18}\): Детектор перевантаження підсилювача потужності.