Активные выпрямители и амплитудные детекторы на базе ОУ

Под выпрямлением аналогового сигнала понимается нелинейная операция над

ним, при которой все его текущие значения на выходе схемы выпрямления при одной из

его полярностей воспроизводятся неискаженно, а при другой – не воспроизводятся вооб-

ще, т. е. отсекаются. Передаточная характеристика идеальной схемы однополупериодного

выпрямления приведена на рисунке 1а. В этой схеме при любых положительных входных

uвх(t) потенциалах дифференциальный коэффициент передачи К ' имеет ненулевое и по-

стоянное значение и равен нулю – при отрицательных (рисунок 1б). В идеальной схеме

выпрямления область перехода от состояния передачи сигнала (состояния, когда К '¹ 0) к

состоянию его отсечки (К '= 0) имеет бесконечно малую протяженность и приходится на

начало координат сквозной передаточной характеристики (рисунок 1а). В результате этого

с помощью такой схемы можно осуществлять операцию эффективного и неискаженного

выпрямления сигналов любого уровня, в том числе и сигналов очень малой интенсивности.

Рисунок 1. Передаточная характеристики идеального выпрямителя

Реальные схемы выпрямления указанными свойствами не обладают. Они способ-

ны эффективно выпрямлять лишь сигналы относительно большого уровня. Связано это с

тем, что в реальных схемах выпрямления область перехода от состояния К '= 0 к состоя-

нию К '¹ 0 имеет вид плавно изменяющейся функции. Так, например, для диодных струк-

тур, организованных на базе кремния или германия, даже в условиях создания в них до-

полнительных начальных токов, протяженность переходной области по оси входных сиг-

налов составляет десятки и даже сотни милливольт. Только при значениях сигнальных

напряжений, существенно больших протяженности этой переходной области, можно пре-

небречь плавностью перехода, представив передаточную функцию в виде рисунка 1а.

Свойствами эффективного выпрямления сигналов малого уровня обладают схе-

мы, организованные на основе ОУ. Такие схемы можно назвать активными выпрямителя-

ми. Одна из распространенных схем активного выпрямителя приведена на рисунке 2. Рассмотрим ее работу.

Рисунок 2. Активный выпрямитель на базе ОУ

Схема организована на базе инвертирующего включения ОУ. В ней ООС дейст-

вует, как при положительных, так и при отрицательных значениях входного сигнала uвх(t).

При положительных значениях этого сигнала, т. е. когда uвх(t) > 0, а uвых(t) < 0,

цепь обратной связи замыкается через прямосмещенный диод VD1. При этом входной ток

iR1 = uвх(t) / R1 протекает через резистор R2 (iR2 = iR1). В условиях действия глубокой ООС

потенциал uа(t) » 0, в результате этого uвых(t) = uR2(t) = iR2 R2 = uвх(t) R2 / R1. Из последнего

следует, что в рассматриваемых условиях коэффициент передачи К '0 схемы не зависит от

уровня сигнала и равен R2/R1. В результате чего положительная фаза входных сигнальных

изменений воспроизводится на выходе неискаженно только в измененном масштабе и

сменой полярности изменений на противоположную.

При отрицательных значениях входного сигнала, т. е. когда uвх(t) ,< 0, а

uвых(t) > 0, петля обратной связи замыкается через прямосмещенный диод VD2. В этих ус-

ловиях напряжение на выходе схемы uвых(t) практически равно нулю. Объясняется это

тем, что левый по схеме на рисунке 2 вывод резистора R2 подсоединен к точке нулевого

потенциала, а диод VD1 закрыт положительным потенциалом, поступающим с выхода ОУ.

Динамическое сопротивление закрытого диода по сравнению с сопротивлением R2 велико,

в результате чего прохождение сигнала с выхода ОУ на выход схемы практически отсут-

ствует.

Рассмотренная схема выпрямления способна обеспечить эффективное выпрямле-

ние знакопеременных сигналов не только высокого уровня (0,1 В и более), но и даже

весьма низкого, со значением порядка 1 мВ.

К основному фактору, мешающему успешному выпрямлению сигналов более

низкого уровня, следует отнести возможное ненулевое значение напряжения Uошвх стати-

ческой ошибки, из-за не нулевого значения которой происходит сдвиг нулевой точки

графика на рисунке 1а по оси входных напряжений на значение Uошвх.

Рассмотренные активные выпрямители могут быть преобразованы в высокочув-

ствительные схемы детектирования амплитудно-модулированных радиочастотных сигна-

лов за счет включения в них дополнительных фильтрующих цепей и конденсаторов. С

помощью этих цепей и конденсаторов, осуществляющих как фильтрацию, так и усредне-

ние выпрямленного напряжения за период несущей детектируемого колебания. Организо-

ванная таким образом схема (схема амплитудного детектора) вырабатывает на своем вы-

ходе медленно изменяющие сигналы, пропорциональные текущим значениям средневыпрямленного радиочастотного напряжения.

30. Компаратор - это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть Uвх - анализируемый сигнал и Uоп - опорный сигнал сравнения, а выходной Uвых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Характеристики компараторов