放大及滤波电路和全波精密整流、滤波及放大电路分析

在利用直流输入型ADC对来自传感器的毫伏级交流信号（＜700mV）进行采样前，常需要对微弱信号进行整流、放大；在对来自精密电压互感器、电阻分压器及变送器的较小信号（4V～10V)进行采样处理前，也要进行整流、滤波，以合乎后续测量电路对信号的要求。

对于毫伏级信号，由于二极管存在死区电压，二极管根本打不开，谈不上整流；对于较小信号，由于二极管正向伏安特性是非线性的，且正向压降随温度而变化，将使整流波形失真，并导致不能忽略的误差。这时就必须采用由运放和二极管构成的有源整流电路，利用运放的高开环增益和深度负反馈特性，来克服二极管死区电压及非线性失真，能做到从微伏级信号开始，输出与输入之间就具有良好的线性关系；有源整流电路的死区电压非常小，等于二极管的正向压降与运放开环增益的比值。后文将按精密半波检波、放大及滤波电路和全波精密整流、滤波及放大电路的顺序，进行逐步说明。

图一 反相比例运算电路

图二 正半波反相输出检波电路

图一为反相比例运算电路，同相端接参考地，Up=0V，运放反相端为虚地点，Un=0V;由于Up=Un=0V，没有共模信号输入，抗干扰性能好。但对信号Ui来说，负载电阻为R1，不足够大，即反相比例电路的输入电阻比较小，使用时要用电压跟随器进行隔离，以使用其优点，避开其缺点。反相比例输出Uo=-Rf/R1*Ui，负号表明输出与输入是倒相关系， Rf=R1时，Uo=-Ui，是倒相器;Rf＞R1,丨Uo丨＞｜Ui丨，是 放大器；Rf＜R1则成为衰减器。在反相比例运算电路的反馈环内插入图二所示二极管，就构成了 正半波反相输出的高精度半波整流电路。Ui＜0时，经反相后，Uo＞0, 超过0.7V后，D1将导通，D2截止。D1导通为运放提供深度负反馈，并将运放输出钳位在0.7V左右，限制运放进入饱和，提高转换速度，反相端成为虚地点 ，加之D2截止 ，Rf中无电流，Uo=0 ; Ui＞0 时，运放输出为负，D1截止，只要运放1脚输出小于-0.7V 左右的电压，D2就会导通，此时电路相当于反相比例运算电路 ， Uo=-Rf/R1*Ui =-Ui ；综合前述，该电路传输特性为：Uo=0 (Ui＜0) ；Uo= -Ui (Ui＞0) 。

将图 二的中二极管反向，就可得到负半波反相输出的半波精密整流电路，如图三所示。

图三 负半波反相输出整流电路

1. Ui＞0 且很小 ，处于微伏级时，D1、D2均未导通，运放处于开环线性放大状态，OPA2188开环放大倍数大于120dB，Ui稍大一点点，运放就会输出较大的负值，使D1导通、D2截止。D1导通使运放进入深度负反馈状态，N点为虚地点， D1将运放输出Uo1钳位在-0.7V左右，如没有D1,运放将负向饱和输出，影响转换速度 ；D2截止且N点虚地，Rf中无电流，Uo=0 。

2. Ui＜0 且丨Ui丨很小时，与前述类似，D1、D2均截止，运放处于开环放大状态。丨Ui丨稍大一点点，运放就会输出较大正值，只要Uo1大于0.7V，就使D2导通，D1截止。D2和Rf串联引入负反馈，此时电路相当于反相比例运算电路，Rf=R1时输出为：Uo=-Rf/R1*Ui=-Ui 综合1、2两点，该电路传输特性为：Uo=0 (Ui＞0) ；Uo=-Ui (Ui＜0) 。负半波反相输出，整流输出的平均值为正值。

图四 反相比例加法电路

图四为反相比例加法电路，输出Uo为Ui1、Ui2单独作用时的输出之和即Uo=-Rf/R1*Ui1-Rf/R2*Ui2 ; 图中平衡电阻R3=R1//R2//Rf 。

在测控系统中，更为常用的是精密全波整流电路，其需要用两个运放单元，一个作精密半波整流，另一个完成全波信号的合成。如图五所示，它由图二检波器和图四反相加法器组成。

图五 有源全波整流电路

在图五所示电路中：

（1）Ui＞0时，根据前述结论和图示参数，Uo1=-Ui ；此时Uo=-Rf/R4*Ui-Rf/R5*Uo1 =-Ui+2Ui=Ui= 丨Ui丨;

（2）Ui＜0时，Uo1=0V ;

此时Uo=-Rf/R4*Ui-Rf/R5*0 =-Ui =丨Ui丨 。

综合(1)、(2)可知Uo=丨Ui丨，图五电路能完成全波整流功能。

工程实践中，常需要把整流后的脉动直流电变成平滑稳定的直流电，以满足测量和控制的要求。图六为实用的带输出滤波和输入缓冲的精密全波整流电路。

图六 实用有源整流滤波电路

图六所示电路中，为降低器件本身对精度的影响，运放应选用低失调电压、零漂移、高开环放大倍数的类型;电阻选用0.1%精度的精密电阻;滤波电容C3选钽电容，且时间常数Rf•C3≥10T ，T为信号周期。

编辑：黄飞