电路仿真——精密半波整流电路
精密半波整流电路
背景说明
半波整流电路利用二极管单向导通特性将交流信号转换为直流信号，但是由于二极管存在导通压降因此无法准确地将信号进行整流，故而需要引入运算放大器，使用运算放大器电路的反馈原理将二极管的导通压降抵消，从而实现精密的半波整流。
原理图
电路说明
电路原理
当Vin<0V_{in}<0Vin<0时，则运放反相输入端V−<0V_{-}<0V−<0，而运放同相输入端V+=0V_{+}=0V+=0，所以有V+>V−V_{+}>V_{-}V+>V−，所以运放的输出端输出的是正电压。所以此时二极管D1D_{1}D1截止，而二极管D2D_{2}D2导通。此时整个电路等效为一个反相放大器。
因此当Vin<0V_{in}<0Vin<0时，有
Vo=−R2R1Vin
V_{o}=-\frac{R_{2}}{R_{1}}V_{in}
Vo=−R1R2Vin
当Vin>0V_{in}>0Vin>0时，运放反相输入端V−>0V_{-}>0V−>0，而运放同相输入端V+=0V_{+}=0V+=0，所以有V+<V−V_{+}<V_{-}V+<V−，所以运放的输出端输出的是负电压。所以此时二极管D1D_{1}D1导通，而二极管D2D_{2}D2截止。此时等效电路如下图所示
考虑到运放“虚段”，有V+=V−=0V_{+}=V_{-}=0V+=V−=0。
因此当Vin>0V_{in}>0Vin>0，有
Vo=0
V_{o}=0
Vo=0
故该电路的传递函数可以写为：
Vo={−R2R1Vin,Vin<00,Vin≥0
V_{o}=
\left \{
\begin{array}{c}
-\frac{R_{2}}{R_{1}}V_{in} &\text{,}V_{in}<0\\
0&\text{,}V_{in}\geq0
\end{array}
\right.
Vo={−R1R2Vin0,Vin<0,Vin≥0
设计说明
- 为了保证信号不失真，在确定压摆率指标时，需要将二极管的管压降也考虑在内，即运放的压摆率要比信号本身的压摆率大一些。
- 为了保证高频信号不失真，需要使用开关速度较快的二极管，比如肖特基二极管。
- 可以使用阻值较低的电阻器来降低噪声误差。
仿真结果
直流分析
交流分析
瞬态分析
这是输入信号频率为1kHz时瞬态仿真的结果
这是输入信号频率为100kHz时的瞬态仿真结果
可以看到，当输入信号频率在100kHz，信号已经发生了轻微相移，且在反向输出的末端出现一定的过充现象。
这应该是由于肖特基二极管反相电流所导致（不一定正确）。
但是总体上看整流后信号并未发生明显畸变。