Usměrňovací obvody se používají při návrhu napájecích obvodů. V takových aplikacích je usměrňované napětí obvykle mnohem větší než úbytek napětí na diodě a tento úbytek není pro správnou funkci usměrňovače důležitý.
Jsou aplikace, kde tomu tak není. Třeba v měřících přístrojích může mít signál, který má být usměrněn, velmi malou amplitudu; klidně 100mV, což znemožňuje použití konvenčních usměrňovacích obvodů. Zároveň je ale nutné, zachovat velmi přesnou přenosovou charakteristiku.
Na tento problém narazil, když jsem se snažil porovnávat a identifikovat vrcholy signálu bez použití mikrokontroleru. Stačilo zrcadlit záporné půlvlny do kladných hodnot; pro silný signál usměrnění diodami stačilo, jenže já potřebuju identifikovat signál ideálně od nuly nebo alespoň od 10–30mV; ale není problém velmi slabý signál malinko zesílit, pokud by citlivost začínala kolem 500mV.
Řešení jsem našel v knize [The Art of Electronics] z roku 1989; třetí vydání 2015 str. 257, kapitola 4.5.4 Absolute-value circuit.
Precision full wave rectifier = absolute value circuit
Přesný celovlnný usměrňovač vrací absolutní hodnotu signálu bez ohledu na polaritu.
Zajímavost: věc známá i v Československu, viz [patent] z roku 1987. V naší terminologii se toto zapojení nazývá obvod absolutní hodnoty. Pro srovnání americký [patent] z roku 1971.
Všechny zde uvedené LTSpice simulace a modely v jednom balíčku ke stažení [tady].
Přesný „jednocestný“ usměrňovač (half wave/půlvlnný) – taková superdioda
Základní implementace přesného půlvlnného usměrňovače je řešená pomocí operačního zesilovače, který má diodu ve zpětnovazební smyčce. Tohle řešení účinně řeší úbytek napětí na diodě, takže i signály velmi nízké úrovně (hluboce pod propustným napětím diody) mohou být usměrněny s minimální chybou.
Omezení
– Skutečný práh superdiody je celmi blízko nule, ale není nulový.
– Na první pohled to nevypadá špatně, ale má to některá vážná omezení. Tím hlavním je rychlost. S vysokofrekvenčními signály to nebude dobře fungovat. Pro nízkofrekvenční kladný vstupní signály se v propustném směru diody použije 100% negativní zpětná vazba. Úbytek napětí na diodě je efektivně odstraněn zpětnou vazbou a invertující vstup sleduje kladnou půlvlnu vstupního signálu téměř dokonale. Když se vstupní signál dostane do záporné části, operační zesilovač nemá žádnou zpětnou vazbu, takže se záporný výstup operačního zesilovače dosahuje limitace. Když se vstupní signál zase dostane do kladné části, operačnímu zesilovači bude nějakou dobu trvat, než se vrátí zpět na nulu, pak přes úbytek v diodě a pak teprve bude něco na výstupu. Tato doba je určena hodnotou rychlosti přeběhu (slew rate) operačního zesilovače a i velmi rychlý operační zesilovač bude omezen na nízké frekvence.
drobná změna pouze použitím rail to rail operačního zesilovače, aby byla mezi půlvlnami opravdu nula
Jiný přístup k řešení, operační zesilovač v invertujícím zapojení. Na výstup projdou pouze kladné půlvlny (odpovídající záporné části signálu). Dioda s přímou zpětnou vazbou přesměruje jakýkoli záporně jdoucí výstup zpět na invertující vstup a zabrání jeho přenesení. Mírný pokles napětí na diodě D2 řeší dioda D1. Dioda D2 tedy zajistí, že na výstup projdou pouze kladné půlvlny.
Zajímavé použití super diody ke zbavení se záporného offsetu signálu. Nevím, jak se takovým obvodům říká správně česky, ale najdu je jako [clamper circuit].
„Dvoucestný“ přesný usměrňovač (full wave).
Asi správně česky bude celovlnný usměrňovač, též obvod absolutní hodnoty. Protože má na výstupu absolutní hodnotu vstupního signálu bez ohledu na polaritu.
Celovlnný usměrňovač může mít jiné zesílení než jedna, může dojít k útlumu nebo zesílení.
U obvodu absolutní hodnoty předpokládám jednotkové zesílení, protože zde zmíněná zapojení, co jsem testoval jsou ovlivněna jak amplitudou vstupního signálu, tak jeho frekvencí, píšu raději celovlnný usměrňovač.
První pokus, jak by takový přesný celovlnný usměrňovač mohl fungovat. Na vstupu je sinus 100mV/2kHz.
Daleko jednodušší řešení, dostatečně dobré a stačí mu LM741. Pro vyhodnocení přesnosti průběhu je lepší simulaci spustit jako analýzu .dc V1 -5 5
Názorné řešení přímo Linear Technology.
Co by byla simulace bez realizace. Postaveno s TL074, čtyřnásobný J-FET operační zesilovač. Dva jsem použil jako vstupní a výstupní napěťový sledovač a zbylé dva jako pokus o celovlnný usměrňovač. Prakticky funguje od amplitudy 10mV jako půlvlnný a od 250mV funguje jako přesný full wave.
Docela slušné výsledky pro čtyřnásobný operační zesilovač TL074 za 9 korun.
Obvod, který používá diodu, ale neovlivňuje špičkové výstupní napětí. Toto řešení dostačuje pro nízké frekvence. A je zajímavé svou funkcí. Myslím, že to funguje nějak takto: Zpětná vazba přes diodu D1 – modrá stopa I(D1) – umožňuje operačnímu zesilovači U2 udržovat kladný vstup operačního zesilovače U1 – zelená stopa V(2) – na potenciálu (virtuální) země pro jakoukoli zápornou část vstupního signálu. Zesilovač U1 funguje jako invertující napěťový sledovač – fialová stopa V(V_out).
Dioda D1 znemožní operačnímu zesilovači U2, aby ovlivňoval kladnou část vstupního signálu; v tomto případě mají tedy oba vstupy U1 stejný signál, který z U1 udělá neinvertující sledovač, takže výstup je opět kladný.
Slabý signál na vstupu (1–15mV), frekvence 20kHz. 1000× zesíleno, usměrněno, invertováno a 1000× zeslabeno. Pro jakékoli reálné zpracování, bych použil signál před zeslabením. Na nerovnováhu mezi velikostí amplitudy kladné a záporné půlvlny má vliv napěťový offset operačního zesilovače. LM318 má kompenzační vstupy, tak bylo potřeba trochu nastavovat a povedlo se celé zapojení na stole odladit.
10mVpp při 100kHz
Použité LTSpice modely ke stažení [tady].
Použité zdroje:
– [4] řešení bez použití diody
– [5] velmi podrobně vysvětlený princip funkce zapojení
– [8] podrobně zpracovaná laboratorní úloha
– [9] kapitola Precision rectifier v knize Signal generators and waveform-shaping circuits