Когда диод просто недостаточно хорош: Superdiode
В этой статье, входящей в сборку аналоговых схем AAC, обсуждается интересная схема, в которой операционный усилитель и обычный диод работают вместе для создания супердиода.
Диоды - один из первых электронных компонентов, о которых мы узнаем. Их важность может быть не сразу понятна, но через некоторое время мы поймем, что существует много ситуаций, когда цепи нуждаются в эквиваленте одностороннего клапана.
Однако, как вы, несомненно, знаете, диод не является точно односторонним клапаном. Да, ток может протекать только от анода до катода, а не от катода к аноду, но у нас также есть это неприятное падение напряжения вперед. В некоторых случаях падение ~ 0, 7 В (меньше для диодов Шоттки) едва заметно. В других случаях, однако, это нетривиальное раздражение и иногда может даже сделать диод бесполезным (например, когда вы хотите исправить синусоидальную волну, амплитуда которой сравнима с прямым напряжением диода).
Нормальные диоды всегда будут иметь прямое напряжение. Другими словами, нет идеального диода. Однако можно создать схему, имитирующую поведение идеального диода, и оказывается, что эта схема 1) очень проста и 2) требует только обычный диод и еще один широкодоступный электронный компонент.
Схема называется супердиодом, и она выглядит так:
Функциональность супердиода
Мы проведем качественный анализ этой схемы, прежде чем мы рассмотрим моделирование. У нас явно есть связь с отрицательной обратной связью, но важно признать, что операционный усилитель будет работать как как усилитель с замкнутым контуром, так и усилитель с разомкнутым контуром.
Предположим, что мы используем супердиод для исправления синусоидальной волны. Для начала нам нужно какое-то начальное условие, так что допустим, что вход отрицательный, а выходное напряжение - 0 В (это имеет смысл, потому что выходной узел заземлен через сопротивление нагрузки). При этом начальном условии выход ОУ насыщен на отрицательном рельсе и, следовательно, диод не проводит. Когда диод действует как разомкнутая цепь, соединение обратной связи прерывается, а операционный усилитель представляет собой просто разомкнутый усилитель с очень высоким коэффициентом усиления.
Как только входное напряжение превышает 0 В, существует небольшая разница между инвертирующим входом (который заземлен) и неинвертирующим входом. Очень высокий коэффициент усиления ОУ приводит к насыщению выходного сигнала на положительном рельсе, и это приводит к прямому смещению диода. Теперь диод ведет, и, таким образом, был создан путь с отрицательной обратной связью. Это означает, что мы можем применить «виртуальное короткое» приближение, т. Е. Напряжение на неинвертирующем входе должно равняться напряжению на инвертирующем входе. Другими словами, как только входное напряжение будет положительным, V OUT = V IN.
Это условие остается активным до тех пор, пока входное напряжение выше 0 В. Как только V IN опустится ниже земли, выход попытается отклонить отрицательный сигнал, но это приведет к смещению диода в обратном направлении и возвращает op-amp к исходному открытому -остаточное состояние. Выход снова сбрасывается на землю через нагрузочный резистор. В результате получается почти идеальный выпрямитель: когда вход положительный, выход равен входу; когда вход отрицательный, выход фиксируется при 0 В.
Мы должны иметь в виду, что нагрузочный резистор является неотъемлемой частью схемы; мы не можем напрямую подключать выход супердиода (т. е. без выпадающего резистора) к высокоимпедансному входному порту, потому что, когда диод имеет обратное смещение, инвертирующий входной терминал op-amp будет по существу плавающим. Кроме того, супердиод с обратным смещением удерживает выходное напряжение на потенциале земли. В этом отношении это не совсем то же самое, что обратный смещенный диод, который действует просто как разомкнутая цепь.
Симуляторы
Здесь реализована реализация супервыхода LTspice:
Применим синусоидальную волну 0, 5 В. Следующие графики подтверждают, что выход является версией ввода с половинной волной. Типичный кремниевый диод ничего не сделал бы здесь, потому что входное напряжение никогда не было достаточно высоким, чтобы смещать перемычку вперед, но супердиод отлично работает.
Что произойдет, если мы попытаемся исправить типичное напряжение линии электропередачи 120/240 В переменного тока "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/techarticle_superdiode_plot3.jpg" />
Из нисходящего склона видно, что частотный отклик ОУ начинает вносить некоторый сдвиг фаз, но почему часть полукруга с восходящим наклоном выглядит настолько ужасной? AD8606 имеет коэффициент усиления полосы пропускания 9 МГц, поэтому почему производительность настолько ухудшилась с сигналом 1 МГц?
Ну, помните, что op-amp насыщен на отрицательном рельсе, когда входное напряжение отрицательное, и это немного борьба за оп-усилитель, чтобы оправиться от этого насыщенного состояния. Другая проблема заключается в том, что мы нарушаем диапазон входного напряжения ОУ (техническое описание AD8606 указывает, что входное напряжение не должно опускаться ниже отрицательной направляющей). Я не знаю, в какой степени симуляция SPICE точно передает эффект этих условий, но мы можем с уверенностью предположить, что в реальной жизни схема также проявила бы некоторый тип нежелательного поведения при подобных обстоятельствах.
Вывод
Мы рассмотрели простую схему ОУ, которая может обеспечить «идеализированное» выпрямление, то есть она действует как диод, который становится смещенным вперед, как только напряжение на нем превышает 0 В. В действительности, однако, этот основной супердиод топология далеко не идеальна, поскольку имеет значительные ограничения - полосу пропускания, насыщенность, диапазон входного напряжения, связанные с эксплуатационными характеристиками операционного усилителя.
Если вы хотите изучить эту схему более подробно, не стесняйтесь загружать мою схему LTspice, нажав на оранжевую кнопку.
Схема LTspice