利用差动放大器实现低损失、高性能全波整流器

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全波桥式整流器可将交流信号转换为全波直流信号。通常，由四个二极管组成的电桥可实现全波整流。图1所示为以串联对排列的四个二极管，其中每半个周期内有两个二极管传导电流。在任意给定时刻，两个二极管正向偏置，另外两个二极管则反向偏置，有效消除传导电流。
       
        结果输出直流，且每半个周期内流过负载的电流均相同。若要将整流器用作直流电源，可在输出端添加一个滤波电容。该电桥电路的主要优势是它不需要特殊的中心抽头变压器，从而缩小尺寸并降低成本。
       
        然而，这款经典电路有诸多不足之处。流过负载的电流是单向的，因此负载上的直流电压平均值应当等于：公式1 ：
       
        然而，实际上在每半个周期内，电流流过两个二极管，因此输出电压幅度等于两个二极管的压降，小于输入幅度。
       
        例如，若峰值输入为5 V，则峰值输出约为3.8 V.纹波频率等于电源频率的两倍；又比如，采用60 Hz电源，则纹波频率等于120 Hz.此外，电路还受到交越失真和温度漂移的影响。

       
       
        图1.经典桥式整流器

       
        图2中的电路通过两个低成本、高性能差动放大器和两个低成本二极管，改进了经典的四个二极管电桥性能，消除了输出端损失。相比传统技术，此方案具有更佳的精度、更低的成本和更低的功耗。
       
        该电路中的VIN为正弦波。二极管D1在正半周期内导通。放大器A1和A2均用作逆变器。其结果可在VOUT端产生正电压，幅度与输入端的幅度完全一致。二极管D2在负半周期内导通。此时放大器A1增益等于–2/3，而A2增益等于+3/2.–1净增益能为VOUT带来正电压，幅度与输入端幅度相反。该组合可形成一个无损失全波整流器。可在高达10 kHz的频率下对高达±10 V的信号进行整流。

       
       
        图2.简单全波整流器

       
        这种设计有几个固有的性能优势，比如成本、交越失真、增益误差和噪声。整流输出的增益精度由10 k电阻确定。这些激光晶圆调整电阻精确匹配，确保增益误差低于0.02%.电路的噪声增益只有2，因此噪声、失调和漂移更低。

       
       
        图3.简单全波整流器性能

       
        图3所示为采用1 kHz 20 V p-p输入信号时的电路性能。输出与输入正周期重叠意味着差动放大器出色的输入输出特性产生的损失可以忽略不计。
       
        与经典电路不同，新电路中两个二极管的性能不会对输出电压产生影响。因此，与温度有关的性能更佳。
       
        采用两个差动放大器和两个二极管组成的精密全波整流器相比传统设计具有诸多优势，尤其是该设计的输出电压相对于输入电压无损失。该差动放大器解决方案不存在交越恢复问题并经优化以在广泛温度范围内获得低漂移。