Активни токоизправители

Коригирането на аналогов сигнал се разбира като нелинейна операция върху него, при която всичките му текущи стойности на изхода на коригиращата верига за една от нейните полярности се възпроизвеждат неизкривени, а за другата те изобщо не се възпроизвеждат, тъй като са отрязани [1, 3, 5, 7, 12]. В този случай биполярният сигнал се преобразува в еднополюсен. В резултат на това токоизправителната верига може ефективно и без изкривявания да коригира сигнали от всяко ниво, включително сигнали с много нисък интензитет.

При пасивните диодни токоизправители, поради нелинейността на диодната характеристика, полувълната на изправения сигнал е изкривена. В активните токоизправители диодът се включва на изхода на операционния усилвател и двата са обхванати от обща верига за обратна връзка, което намалява изкривяването и грешките при коригиране, включително прага на отваряне на диода, пропорционално на дълбочината на обратната връзка.

Схемата на най-простия полувълнов активен токоизправител (фиг. 1.25,а) е изградена на базата на неинвертиращ повторител. Той пропуска само положителни полувълни на входното напрежение в товара. Дори при много малко положително входно напрежение, изходното напрежение на операционния усилвател вече е достатъчно, за да отвори диодаVD. С идеален OSUвход d = 0 и цялото устройство в работния полупериод е идеален повторител на напрежението. При отрицателно входно напрежение диодът се затваря от изходното напрежение на операционния усилвател, което следователно не се предава нито на товара, нито на OS веригата. СледователноUin d =Uin>0.

Ориз. 1.25. Най-простите активни токоизправители:a- схема на полувълнов токоизправител;b- верига на пълновълнов токоизправител;c- диаграми на напрежението

Последното означава, че максималната допустима амплитуда на отрицателната полувълна на входанапрежението е ограничено до допустимотоUin. d макс. Ако промените полярността на диода, токоизправителят ще предава отрицателни полувълни.

Въпреки това, такива схеми се използват рядко поради малката максимална допустима амплитуда на входното напрежение и насищане на операционния усилвател по време на полупериоди на непроходимо напрежение (OS не работи в тях). Изходът от наситеното състояние е инерционен и намалява скоростта. За да се избегне насищане на операционния усилвател, веригата на операционната система трябва да функционира (не да се изключва) във всеки полупериод и за да се увеличи максимално допустимата амплитуда на входното напрежение, се използват активни токоизправители, базирани на инвертиращо включване на операционния усилвател.

Типична верига на активен токоизправител, която прилага тези принципи, е показана на фиг. 1.25,b.Тук във всеки полупериод един от диодите е отворен и инвертираща усилвателна верига работи с коефициент на предаване

или

, който не зависи от съпротивлението на диодите. На всеки от изходите се получава резултат от изправяне на полувълни, но за полувълни с различна полярност. АкоUout2 се извади отUout1 (приложен към входовете на диференциалния усилвател), тогава получавамеUout1 –Uout2 =KUin(t), т.е. резултат от пълновълнова корекция. Подобен резултат може да се получи чрез добавяне (в необходимата пропорция) на входното напрежение към едно от изходните напрежения.

Четири схеми на полувълнови токоизправители на фиг. 1.26 се различават един от друг по предаваната полувълна на входния сигнал (положителен или отрицателен) и знака на коефициента на предаване (инвертиращ и неинвертиращ). Неинвертиращите полувълнови токоизправители (фиг.1.26,a,c) имат по-висок входен импеданс от инвертиращите (фиг.1.26,b,d). В инверторен токоизправителдиодVD2 се отваря при съответната полувълна на входния сигнал, осигурявайки предаването му към изхода с коефициент, определен от съотношението на резисториR1 иR2, докато диодVD1 е предубеден в обратна посока. Неинвертиращият полувълнов токоизправител работи почти по същия начин, но тяхната работа в режим на прекъсване е значително различна.

Ориз. 1.26. Полувълнови токоизправители:a,c- неинвертиращо включване на операционния усилвател;b,r- инвертиращо включване на операционния усилвател;a,b- положително напрежение на изхода;c,g- отрицателно напрежение на изхода

Както в неинвертиращите, така и в инвертиращите токоизправители, диодътVD1 се въвежда, за да се подобри тяхната производителност. Ако диодът е изключен, тогава в режим на прекъсване операционният усилвател влиза в състояние на насищане. Следователно, при превключване в режим на предаване, операционният усилвател трябва първо да излезе от насищане и след това изходното му напрежение ще се повиши за достатъчно дълго време до нивото на отваряне на диодаVD2. Въвеждането на диодVD1 предотвратява насищането на операционния усилвател и ограничава спада в изходното му напрежение, когато полярността на входния сигнал е обърната. В неинвертираща верига диодVD1 ограничава изходното напрежение на операционния усилвател чрез късо свързване на изхода му със земята, така че операционният усилвател трябва да позволи изхода да бъде късо съединение за неограничено време при максимална работна температура. В допълнение, в неинвертираща верига операционният усилвател трябва да има голямо допустимо диференциално входно напрежение и кратко време за възстановяване от режим на ограничаване на изходния ток.

Диаграмата на пълновълнов токоизправител е показана на фиг. 1.27. При положителен входен сигнал диодVD1 е отворен, aVD2 е затворен. Благодарение на диодаVD1, потенциалът на инвертиращия вход енула. Изходното напрежение на веригата се определя от делител, чието горно рамо се състои от резисторR3, а долното рамо се състои от паралелно свързаниR2 и товарно съпротивлениеRn. При отрицателен входен сигнал диодVD2 е отворен, аVD1 е затворен. Сега веригата действа като неинвертиращ усилвател. При биполярен сигнал веригата последователно действа като делител, след това като неинвертиращ усилвател.

Ориз. 1.27. Пълновълнов токоизправител на един операционен усилвател

За положителен сигнал:

За отрицателен сигнал:

За да получите

, трябва да бъдат изпълнени следните условия:

За положителен сигнал:

За отрицателен сигнал:

Тази схема се препоръчва за използване с източници на сигнал с ниско съпротивление и товари с високо съпротивление. В противен случай възникват грешки в коефициента на предаване и разликите му за положителни и отрицателни полувълни на сигнала. АкоR3=R2=R1/2, тогава усилването на веригата ще бъде 1/2.

Показано на фиг. 1.28 веригата се състои от операционен усилвател с пълновълнов токоизправител във веригата за обратна връзка. Мостовата верига изправя двете полувълни на входния сигнал, докато изправеният ток протича през незаземения товарRn. РезисторR1 определя количеството на коригирания изходен ток. Не се изисква съвпадение на резистор и стойността на резисторR1 може да се променя, за да се промени усилването.

Ориз. 1.28. Пълновълнов токоизправител с токов изход