运算放大器的线性全波整流电路
描述
目录：
一、全波整流的介绍
二、运放全波整流电路仿真
三、运放整流电路的优劣
四、数字万用表应用
一、全波整流的介绍
对于一个双极性的交流信号，如果想要把负半轴的信号镜像到正半轴，我们可以接一个整流桥，这种叫做全波整流。
如果双极性的交流信号经过一个二极管，则交流信号的负半轴不能通过二极管，输出只有正半轴的信号，这种叫做半波整流。
，如果取R3 = 2R4，则Vo = Rf/R3*Vin，此时输出电压>0。</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHTeAEILDAAIBf-pRxSs499.png' alt='整流电路' /></p>
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当输入信号Vin为负时，D1导通，D2截止，R4两端都是“虚地”，没有电流流过R4，所以这时运放A2与外围电阻就构成一个反相比例运算放大电路，输入信号是Vin。</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHTeAHYHcAAIY_FiQvuE259.png' alt='整流电路' /></p>
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输出电压Vo = -Rf/R3*Vin，-号标示输入信号极性为负，这时输出电压>0。所以Vin无论是正还是负，输出都是正，从而利用运放实现了全波整流的功能。如果想要将整流后的信号放大，只需要增大Rf即可。</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHTiAfKylAAIt8QizqTE973.png' alt='整流电路' /></p>
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<strong>二、运放全波整流电路仿真</strong></p>
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对上电路的仿真如下所示，原文件下载请移步：运算放大器线性全波整流电路。</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHTiAfLvIAAE0Lt9Vzj4171.png' alt='整流电路' /></p>
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<strong>U1A对输入Ui正电压进行处理。</strong></p>
<p>
输入Ui为正电压时，D2导通，D1截至，运放U1A输出负电压，故电压从R1→R2→D2，构成反相比例运算放大电路，此时运放U1A输出Uo1 = -Ui*(R2/R1) = -Ui。</p>
<p>
输入Ui为负电压时，D1导通，运放U1A输出为正电压，故D2截至，又根据运放输入端近似短路，故运放U1A电压为0V，Uo1 = 0V。</p>
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由以上分析可得，当输入电压为交流信号电压时，此电路只对输入电压中正电压有作用，负电压被运放钳位到0V。</p>
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<strong>U1B对输入Ui负电压进行处理。</strong></p>
<p>
计算过程分为两部分，①部分Uo1作为U1B运放输入的一部分，②部分通过R4过来的Ui电压，由此U1B组成了两个不同信号的放大电路。</p>
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<strong>（1）当Ui为正电压u时，</strong>①部分放大，Uo1 = -u，此时Uo2 = -(-u*(R7/R3)) = 10u。</p>
<p>
②部分放大，U1B的P6端Ui为u，那么Uo2 = -u*(R7/R4) = -10u。</p>
<p>
<strong>综合①与②放大叠加，可得当Ui为正电压时，Uo2输出为0V。</strong></p>
<p>
<strong>（2）当Ui为负电压时，</strong>①放大，Uo1为0V，此时Uo2 = 0V。②放大，U1B的6端Ui为-u，那么Uo2 = -u(R6/R4) = -10u。</p>
<p>
<strong>综合①与②放大叠加，可得当Ui为负向电压时，Uo2输出为-10u。</strong></p>
<p>
如下图所示，通过仿真波形可以看出理论分析符合实际情况。</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHTiATVpKAACQ4biKdbg615.png' alt='整流电路' /></p>
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<strong>可以看出，只要①中的Uo2大于②中的Uo2，就可以实现对Ui的正电压进行放大。</strong>将R3更换为800Ω的仿真波形：</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHTiAEnf2AACIfasP6bQ271.png' alt='整流电路' /></p>
<p>
<strong>①放大倍数是②放大倍数的2倍可以完全还原波形。</strong>将R3更换为1k，则①的放大倍数 = R7/R5 = 20，仿真波形：</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHTiAFVwZAACF4b0Sgy4617.png' alt='整流电路' /></p>
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<strong>三、运放整流电路的优劣</strong></p>
<p>
相较普通二极管整流电路，运放整流电路具有更高的精度和稳定性。由于运算放大器具有负反馈控制的特性，因此可有效减小电路的<strong>非线性误差和漂移，提高整流电路的精度和稳定性。</strong>此外，运算放大器整流电路也能够通过调整放大倍数和增益控制来解决低电压和高电阻的问题，提高整流效率和范围。</p>
<p>
由于运算放大器整流电路是基于运算放大器的比例性和反相性等特性来设计的，因此其输入的电压幅值不能太大，否则可能会出现电路饱和等问题。此外，运算放大器整流电路也在处理高频信号时存在较大的噪音和失真现象。</p>
<p>
<strong>四、数字万用表应用</strong></p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHTmALHK9AABuihyyVrE945.png' alt='整流电路' /></p>
<p>
本电路来源于“便携式数字万用表原理与维修”，<strong>仅适用于测量不失真的正弦波电压。</strong></p>
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原理定性分析与定量计算：</p>
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利用单运放TL061(IC1规格书)与二极管VD1、VD2组成平均值响应的<strong>线性整流电路，</strong>能消除二极管在小信号整流时所引起的非线性电压，使输出的平均值电压Uo与输入电压Uin(有效值)呈线性关系，适合测量10～400Hz正弦波。为提高转换器的输入阻抗，将IC1接成同相放大器，C1、C2为隔直电容。</p>
<p>
该电路属于输出不对称全波整流电路，在正、负半周时的等效电路及输出波形见下图所示。</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHT6AXcOtAABVnnsbsaw104.png' alt='整流电路' /></p>
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（1）正半周时，VD1导通，VD2截至，IC1输出电流的途径：C1→VD1→R4→R6→RP→GND，并经R5对C5充电。</p>
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<img src='https://file1.elecfans.com//web3/M00/33/9A/wKgZPGjnHT6AVXbbAAAxKNOz5Ak924.png' alt='整流电路' /></p>
<p>
将R4、R6、RP的电阻值代入①式得<strong>Kv = 2.45～ 2.60 > 2.22</strong>(半波整流时正弦波的有效值与平均值的关系为Urms = 2.22Uo)。</p>
<p>
（2）负半周时VD2导通，VD1截止，电流途径：GND→RP→R6→VD2→C1→IC2，<strong>Kv = 1，</strong>相当于电压跟随器。</p>
<p>
由R5与C5组成的平滑滤波器可滤掉交流纹波，高频干扰信号则被R7、C6构成的高频滤波器所滤除，从而获得稳定的平均值电压，再通过IC2完成AD转换。</p>
<p>
RP校准交流电压的电位器，调整RP可使仪表直接显示出被测电压的有效值。C3是运放IC1的频率补偿电容。R2与C4还向VD3提供偏压，以减小TL061对小信号放大时的波形失真。</p>
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审核编辑 黄宇</p>
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