利用二極管的單向導電特性,和放大器的優良放大性能相結合,可做到對輸入交變信號(尤其是小幅度的電壓信號)進行精密的整流,由此構成精密半波整流電路。若由此再添加簡單電路(甚至是一只電阻)即可構成精密全波整流電路。
對二極管單向導電的發明,奠定了無線電的基礎,在控制電流方向的基礎上,進而控制電流的大小(三極管),則完成了由簡單控制向自動化、智能化控制的華麗轉身。現代化的進程中,半導體器件確實居功甚偉。閑話少說,回過頭來,先說一下二極管。
二極管是個兩線端元件,有陽極、陰極兩個引線端,其特性是單向導電,從而可完成整流、隔離等基本工作任務。
對于常用的硅整流二極管來說,只要或只有陽極電壓高于陰極電壓(約0.6V左右)即可實現正偏(稱正向偏壓)導通。反之,當陰極電壓高于陽極電壓時,稱為反偏截止。
在二極管正偏導通期間,往往可以忽略其導通壓降,將其認為是一根導線;在反偏截止期間,因其漏電流小到可以忽略不計,則可以視為開路,貌似這個元件不存在一樣。因而,二極管即不同于電阻(有固定的電阻值,非通非斷),也不同于電容(是個瞬時通電元件),其性格鮮明脾氣直爽,要么是通,要么是斷,通、斷都非常利落!
二極管的導通壓降約為0.6V,此導通壓降又稱為二極管門坎電壓,意謂著邁過0.6V這個坎,二極管才由斷態進入到通態。常規整流電路中,因整流電壓的幅值遠遠高于二極管的導通壓降,幾乎可以此無視門坎電壓的存在。但在對小幅度交變信號的處理中,若信號幅度竟然小于0.6V,此時二極管縱然有一身整流的本事,也全然派不上用場了。
在二極管茫然四顧之際,它的幫手——有優良放大性能的運算放大器的適時出現,改變了這種結局,二者一拍即合,小信號精密半波整流電路即將高調登場。請看圖一。
圖一半波精密整流電路及等效電路
上圖電路,對輸入信號的正半波不予理睬,僅對輸入信號的負半波進行整流,并倒相后輸出。在輸入信號的正半波輸入期間,微小的輸入信號即使放大器輸入端變負,二極管D1正偏導通(相當于短接),D2反偏截止(相當于斷路),形成電壓跟隨器模式,因同相端接地,由虛短特性可知,輸出端仍能保持零電位。
如圖一中的b電路所示;在輸入信號的負半波期間,微小的輸入信號即使輸出端變正,二極管D1反偏截止,D2正偏導通,形成反相(放大)器的電路模式,對負半波信號進行了倒相輸出。如圖一中的c電路所示。
在工作過程中,兩只二極管默契配合,一開一關,將輸入正半波信號關于門外,維持原輸出狀態不變;對輸入負半波信號則放進門來,幫助其翻了一個跟頭(反相)后再送出門去。兩只二極管的精誠協作,再加上運算放大器的優良放大性能,配料充足,做工地道,從而做成了精密半波整流這道“大餐”。
如果調整反饋電阻R2的阻值,使R2=2R1,再與輸入信號相混合,則形成全波精密整流電路,如圖二所示。
圖二精密全波整流電路及波形圖
將N1放大器的反饋電阻R2增大,使R2=2R1,使其將整流信號反相放大兩倍后輸出,再與輸入信號相加,其整流的+10V與輸入負半波的-5V相加,10+(-5)=5,恰好能將負半波“消滅”掉,得到全波整流電壓。
所謂魔電(模電),如果能夠識破其變身術,只剩下一個個的電路模型,又何魔之有?如果有足夠的空余時間,我真想完全拋開“虛短”、“虛斷”、“虛地”等概念,再“新解”一下運算放大器的基本電路。
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