小信号精密整流电路设计

朱文彬　王海燕

摘 要：精密整流的作用是将交流小信号在过零处准确转换为直流信号。传统的二极管整流电路中，当输入电压小于二极管的开启电压时，二极管截止，输出电压为零；当输入电压大于开启电压，并使二极管完全导通，此时输出电压等于输入电压减二极管导通电压，输出电压小于输入电压，即输出电压只能反映出输入大于导通电压的部分。因此，当输入电压值较小，为某一交流小信号时（信号有效值与二极管的导通电压相近），二极管整流电路就会产生明显失真。所以，对交流小信号的整流不能用二极管。本文中所论述的小信号精密整流电路，是以运算放大器为核心器件，将双极性信号转换为单极性信号。

关键词：交流；小信号；整流；运放；波形

中图分类号： TU9 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）25-176-2

1 电路组成

1.1 电路组成框图

交流小信号首先经过半波整流部分产生一半波信号，该信号再送入后级与输入信号进行叠加反向，输出的波形为全波整流信号。这个信号经一阶滤波电路后可得到较为平稳的直流信号。

1.2 电路原理图

电路图中由U1、D1、D2、R1、R2构成半波整流部分；由U2、R3、R4、R5构成叠加反向部分；由R6、C1构成一阶滤波部分。

假设电路中二极管导通电压为0.7V，而集成运放的开怀放大倍数一般为万倍级，此时运放输入端仅需微伏级的净输入量就能使二极管导通。所以，运放输入端电压的微小变化，就能使输出跟随其发生变化。小信号精密整流电路正是利用了这一特点，来实现对交流小信号的整流。

电路中集成运放的型号主要根据输入信号的电压幅度及频率进行选择。通常会选择幅值范围较大的轨到轨运放。

2 电路工作原理分析

2.1 半波整流部分

2.1.1 当输入交流小信号为电压正半周时：

因为ui>0，所以U1的输出电压uo1<0，使D1导通、D2截止。此时R1、R2、U1构成反向比例放大电路，其输出电压uo1=-（R2/R1）ui。电路中取R1=R2，所以uo1=-ui，电路为放大倍数为-1的反向放大电路。

2.1.2 当输入交流小信号为电压负电压时：

因为ui<0，所以U1的输出电压uo1>0，使D1截止、D2导通。由于D1截止，使U1输出端的信号uo1不送入下一级（即U2的输入端）；因为同向端接地，所以反向端电压为零，而此时D2导通，因此U1的输出电压uo1被钳位在0V（即uo1=0）。

2.2 叠加反向部分

由硬件电路图可知，R3、R4、R5和U2共同构成了个反向加法电路，它将输入信号ui和U1的输出信号uo1进行反向叠加运算。uo2=-（R5/R3）uo1-（R5/R4）ui，因为2R3≈R5、R4=R5，所以uo2=-2uo1-ui。

2.2.1 当输入交流小信号为电压正半周时：

①uo1为输入信号：因为U1输出的电压为uo1=-ui，该信号经U2后输出为uo2=2ui；

②ui为输入信号：该信号的输出为uo2〞=-ui；

③U2的输出uo2=uo2+uo2〞= ui。即当输入为正半周时，为等量同向输出。

2.2.2 当输入交流小信号为电压负电压时：

①uo1为输入信号：uo1被钳位在0V，即R3左侧电压为0，而R3右侧电压根据虚短可知也为0，所以理想情况下此时无电流流入U2，即uo2=0；

②ui为输入信号：该信号的输出为uo2〞=-ui；

③U2的输出uo2= uo2+ uo2〞=-ui。即当输入为负半周时，为等量反向输出。

2.2.3 在整个周期内：U2的输出为正半周电压加负半周的反向电压，从而实现了交流整流。

2.3 电路等效框图

在整个周期范围内，通过R1、R2的支路的放大倍数为-1，通过R3的支路的放大倍数为-2，通过电阻R4的支路的放大倍数为-1。所以，该小信号精密整流电路可以用下面的等效框图表示。

3 波形仿真

3.1 U1输出仿真波形

3.2 U2输出仿真波形

3.3 滤波后波形

参 考 文 献

[1] 赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安交通大学出版社，2009.

[2] 科特尔.运算放大器权威指南[M].人民邮电出版社，2010.

[3] 冈村迪夫.OP放大电路设计[M].科学出版社，2011.