组成二极管的各种整流电路

组成二极管的各种整流电路（rectifying circuit），它们利用二极管的单向导通特性把交流电能转换为直流电能，并且在分析的时候忽略了二极管的正向压降。

事实上，对市电220VAC这么大的交流电压进行整流时，微小如1V左右的损耗也的确是可以忽略，但如果是对小信号进行整流处理，那些整流电路都将派不上用场了，比如输入信号的峰值就只有1V，如果使用之前所述的全桥整流电路进行整流处理，连二极管都无法导通，更遑论整流这么艰巨的任务了，如下图所示：

对于小信号整流，我们可以使用精密整流电路，下面我们介绍几种常用的精密整流电路。以下假设输入交流信号均为正弦波，二极管的正向压降均为0.7V：

一、半波整流电路（half-wave rectification）

 

如下图所示，其中OP1是运算放大器，它连接成电压跟随器电路，只不过在输出端插入了一个二极管D1，这种运算放大器与二极管的组合电路也称为超级二极管。下面我们简单分析一下：

当输入信号ui的正半周来到时，由于运算放大器为电压跟随状态，因此电路的输出电压uo等于输入电压ui（正电压），当然，一定要使二极管D1为导通状态，让运算放大器处在闭环负反馈状态才能实现电压跟随，因此，运放OP1的输出（不是uo）自然比输出电压uo高一个二极管D1的正向导通电压（uD1=0.7V），此时电路等效如下图所示：

当输入信号ui的负半周来到时，由于初始时运算放大器仍为电压跟随状态，因此电路的输出电压uo为负电压，这样二极管D1截止导致运算放大器处于开环状态（也就相当于一个比较器），运算放大器的反相端经电阻R1下拉到地（0V），而其同相端为负电压（比0V小），运放（比较器）OP1输出电压为低电平。（比较器的Vp

其输入输出波形如下所示：

很明显，这个电路在整流工作过程中，需要经常从闭环状态切换为开环状态，再回到闭环状态，这都是需要花费时间的（晶体管从饱和状态退出再到截止状态），因此，如果输入信号的频率过高，则输出电压uo就会因为运放响应时间太长而跟不上输入信号的变化速度，肿么办？

如下图所示的改进电路，它用一个箝位二极管限制输出电压，它使得输出电压uo仅比地（0V）低一个二极管压降，强制运放内部的三极管不再进入饱和状态，这样就可以迅速响应更快的输入信号（注意运放的连接形式，不再是电压跟随器，而是反相放大器）。

当输入信号ui的正半周来到时，由于运算放大器为反相放大器（处于负反馈），因此OP1输出负电压，又由于OP1同相端接地（0V），根据运放的“虚短”特性，因此其反相端亦为0V（只有处于负反馈闭环路状态才能谈运放的“虚短”与“虚断”特性，对运放不熟悉的读者可参考对应文章），这样D2的阳极比阴极电位高，处于导通状态，强制运放输出为-0.7V，与此同时，二极管D1由于反向偏置而截止，因此没有输出电压，此时电路等效如下：

 

我们再进一步调整一下，如下图所示：

当输入信号ui的负半周来到时，由于运算放大器为反相放大器（处于负反馈），因此OP1输出为正电压，又由于OP1同相端接地（0V），根据运放的“虚短”特性，因此其反相端亦为0V，这样D2的阳极比阴极电位低，处于截止状态，这样运算放大器应该是处于开环状态的。但是与此同时，二极管D1由于正向偏置而导通，通过D1与R2仍然使OP1处于负反馈状态，使得输出有相应的正电压输出，此时电路等效如下：

 

我们进一步调整如下图所示：

其实就是个反相放大器，因此这个电路还有放大功能，当输入为负半周时，其输入电压与输出电压关系如下所示：

要特别注意输出电压的极性，负半周输入时被整流成了正半周，而正半周输入时则没有输出，其波形关系如下图所示：

二、全波整流电路（full-waverectification）

 

对应的全波整流电路如下图所示：

蓝色方框里的电路与前述半波整流电路是相似的，不过两个二极管是反过来的，它将输入正半周整流成负半周（前面的电路恰好相反，读者可自行分析），而后半部分就是个加法运算放大器电路，一路输入信号为将半波整流输出的负半周，它的放大倍数AV1是：

假设我们调整其值如下所示：

当输入电压ui正半周到来时，输出电压uo有：

当输入电压ui负半周到来时，蓝色框内的半波整流电路是没有输出的，因此输出电压uo就是输入信号ui的反相（其放大倍数为-1），即uo=-ui，也就相当于把负半周整流成了正半周，这样两个半周相加就是一个完整的全波了，如下图所示：

这个全波整流电路的意图很简单：将输入信号进行整流且放大2倍，再与输入信号本身相叠加。当然，这个电路也同样具备放大的功能，其计算公式与上述步骤是相似的，此处不再赘述。

还有另一个类似的全波整流电路，如下图所示：

当输入信号ui的正半周来到时，由于运算放大器OP1为反相放大器（处于负反馈），输出为低电平，又由于运放的同相端接地（0V），根据运放的“虚短”特性，因此其反相端亦为0V，这样D2的阳极比阴极电位高，处于导通状态的D2把OP1输出强制为-0.7V，而二极管D1则处于截止状态，此时电路等效如下：

 

这么乱，怎么看？好，你是大爷，帮你调调整一下，如下图所示：

前级的半波整流电路没有输出，整个电路就是一个同相放大器，其放大倍数如下：

当输入信号ui的负半周来到时，由于运算放大器为反相放大器（处于负反馈），因此OP1输出为正电压，又由于OP1同相端接地（0V），根据运放的“虚短”特性，因此其反相端亦为0V，这样D2的阳极比阴极电位低，处于截止状态，这样运算放大器应该是处于开环状态的。但是与此同时，二极管D1由于正向偏置而导通，通过二极D1、运放OP2、电阻R3与R2仍然使OP1处于负反馈状态，使得输出有相应的正电压输出，此时电路等效如下：

进一步调整如下图所示：

此时电路的放大倍数为：

因此，无论输入为正半周还是负半周，输出都为正电压，即达到全波整流的目的，如果我们令R1=R2=R3，则两者放大倍数均为2，输出电压的幅值是输入电压是的2倍，当然，你也可以适当调节R3的值进行其它比例的放大。

审核编辑 ：李倩