利用差動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)低損失、高性能全波整流器

全波橋式整流器可將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為全波直流信號(hào)。 通常，由四個(gè)二極管組成的電橋可實(shí)現(xiàn)全波整流。 圖1所示為以串聯(lián)對(duì)排列的四個(gè)二極管，其中每半個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)二極管傳導(dǎo)電流。 在任意給定時(shí)刻，兩個(gè)二極管正向偏置，另外兩個(gè)二極管則反向偏置，有效消除傳導(dǎo)電流。

結(jié)果輸出直流，且每半個(gè)周期內(nèi)流過(guò)負(fù)載的電流均相同。 若要將整流器用作直流電源，可在輸出端添加一個(gè)濾波電容。 該電橋電路的主要優(yōu)勢(shì)是它不需要特殊的中心抽頭變壓器，從而縮小尺寸并降低成本。

然而，這款經(jīng)典電路有諸多不足之處。 流過(guò)負(fù)載的電流是單向的，因此負(fù)載上的直流電壓平均值應(yīng)當(dāng)?shù)扔冢?/p>

公式1 :

然而，實(shí)際上在每半個(gè)周期內(nèi)，電流流過(guò)兩個(gè)二極管，因此輸出電壓幅度等于兩個(gè)二極管的壓降，小于輸入幅度。

例如，若峰值輸入為5 V，則峰值輸出約為3.8 V。紋波頻率等于電源頻率的兩倍;又比如，采用60 Hz電源，則紋波頻率等于120 Hz。 此外，電路還受到交越失真和溫度漂移的影響。

圖1. 經(jīng)典橋式整流器

圖2中的電路通過(guò)兩個(gè)低成本、高性能差動(dòng)放大器和兩個(gè)低成本二極管，改進(jìn)了經(jīng)典的四個(gè)二極管電橋性能，消除了輸出端損失。 相比傳統(tǒng)技術(shù)，此方案具有更佳的精度、更低的成本和更低的功耗。

該電路中的VIN為正弦波。 二極管D1在正半周期內(nèi)導(dǎo)通。 放大器A1和A2均用作逆變器。 其結(jié)果可在VOUT端產(chǎn)生正電壓，幅度與輸入端的幅度完全一致。 二極管D2在負(fù)半周期內(nèi)導(dǎo)通。 此時(shí)放大器A1增益等于C2/3，而A2增益等于+3/2。C1凈增益能為VOUT帶來(lái)正電壓，幅度與輸入端幅度相反。 該組合可形成一個(gè)無(wú)損失全波整流器。 可在高達(dá)10 kHz的頻率下對(duì)高達(dá)±10 V的信號(hào)進(jìn)行整流。

圖2. 簡(jiǎn)單全波整流器

這種設(shè)計(jì)有幾個(gè)固有的性能優(yōu)勢(shì)，比如成本、交越失真、增益誤差和噪聲。 整流輸出的增益精度由10 k?電阻確定。 這些激光晶圓調(diào)整電阻精確匹配，確保增益誤差低于0.02%。 電路的噪聲增益只有2，因此噪聲、失調(diào)和漂移更低。

圖3. 簡(jiǎn)單全波整流器性能

圖3所示為采用1 kHz 20 V p-p輸入信號(hào)時(shí)的電路性能。 輸出與輸入正周期重疊意味著差動(dòng)放大器出色的輸入輸出特性產(chǎn)生的損失可以忽略不計(jì)。

與經(jīng)典電路不同，新電路中兩個(gè)二極管的性能不會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響。 因此，與溫度有關(guān)的性能更佳。

采用兩個(gè)差動(dòng)放大器和兩個(gè)二極管組成的精密全波整流器相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)勢(shì)， 尤其是該設(shè)計(jì)的輸出電壓相對(duì)于輸入電壓無(wú)損失。 該差動(dòng)放大器解決方案不存在交越恢復(fù)問(wèn)題并經(jīng)優(yōu)化以在廣泛溫度范圍內(nèi)獲得低漂移。