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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$V_{in}<0$时，则运放反相输入端$V_{-}<0$，而运放同相输入端$V_{+}=0$，所以有$V_{+}>V_{-}$，所以运放的输出端输出的是正电压。所以此时二极管$D_1$截止，而二极管$D_2$导通。此时整个电路等效为一个反相放大器。

因此当$V_{in}<0$时，有
$$V_o=-\frac{R_2}{R_1}{V}_{in}$$

当$V_{in}>0$时，运放反相输入端$V_{-}>0$，而运放同相输入端$V_{+}=0$，所以有$V_{+}<V_{-}$，所以运放的输出端输出的是负电压。所以此时二极管$D_1$导通，而二极管$D_2$截止。此时等效电路如下图所示

考虑到运放“虚段”，有$V_{+}=V_{-}=0$。
因此当$V_{in}>0$，有
$$V_o=0$$

故该电路的传递函数可以写为：
$$V_o=\{\begin{array}{cc}-\frac{R_2}{R_1}{V}_{in}& \text{,}{V}_{in}<0\\ 0& \text{,}{V}_{in}\ge 0\end{array}$$

设计说明

1. 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。
2. 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。
3. 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。