Wie kann ein Operationsverstärker als Präzisionsdiode fungieren?

Ich habe in einem Artikel über die Anwendung von Operationsverstärkern gelesen, dass er als Präzisionsdiode fungieren kann. Die Präzisionsdiode ist eine ideale Diode mit einem sehr viel geringeren Durchlassspannungsabfall. Ich kann dieses Konzept nicht verstehen. Bitte erklären Sie es mir.

Ein idealer Operationsverstärker möchte seine beiden Eingänge über den negativen Rückkopplungspfad gleich spannungsgleich machen. Schauen Sie sich eine sehr einfache "Präzisionsdiode" an:

Beachten Sie, dass der invertierende Eingang (-) ebenfalls Vout ist. Vin ist der andere Eingang. Denken Sie daran, dass der Operationsverstärker seine Eingänge auf die gleiche Spannung einstellen möchte.

Nehmen wir an, dass Vout bei 0 V beginnt und Vin 5 V beträgt. Da der invertierende Eingang eine niedrigere Spannung als der nicht invertierende Eingang hat, ist der Ausgang des Operationsverstärkers positiv. Dadurch fließt Strom durch die Diode nach Masse.

Wenn dies nur eine Diode wäre, würden wir den üblichen 0,65-ish-Spannungsabfall der Diode beobachten. Aber der Operationsverstärker sieht diesen Unterschied immer noch. An dem Punkt, an dem Vout 0,65 V unter Vin liegt, gibt es immer noch einen Unterschied zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers, und folglich wird der Ausgang noch höher angestrebt, um ein Gleichgewicht zu erreichen, bei dem die beiden Eingänge die gleiche Spannung haben.

Schließlich ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 0,65 V höher als Vin. Nach dem Spannungsabfall ist Vout = Vin, und die Eingänge des Operationsverstärkers haben die gleiche Spannung, und wir haben das Gleichgewicht erreicht.

Jetzt sind Vout und Vin bei 5V, aber sagen wir, dann fällt Vin auf 0V ab. Der Operationsverstärker versucht nun zu kompensieren, indem er die negativste Spannung ausgibt, die er kann. Die Diode verhindert jedoch, dass aufgrund dieser negativen Spannung Strom fließt. Somit verhält es sich wie eine Diode, die Strom nur in eine Richtung zulässt, außer ohne Spannungsabfall.

Ja, ein Operationsverstärker kann wie ein Präzisionsgleichrichter wirken, jedoch nicht in Stromversorgungsanwendungen. Wenn Sie ein Signal haben, das Sie gleichrichten möchten (möglicherweise um es in einen Spitzenwert umzuwandeln), verwenden Sie die folgende Schaltung: -

Der negative Teil des Signals wird bei Vout genau als positives Signal wiedergegeben. Zwei Operationsverstärker können kombiniert werden, um auch einen Vollweggleichrichter zu erzeugen.

Dies ist keine Form der perfekten Gleichrichtung der Leistung - ihre Verwendung ist auf Signale mit geringer Leistung beschränkt.

Es gibt einfachere Schaltungen, die eine Diode verwenden. Wenn Sie jedoch ein Signal mit relativ hoher Geschwindigkeit präzise gleichrichten müssen, müssen Sie vermeiden, den Verstärker zu sättigen, wenn die Hälfte der Wellenform mit "falscher" Polarität vorhanden ist. Dies wird mit der zusätzlichen Diode erreicht ( D2 im obigen Diagramm).

Wenn Sie " Präzisionsgleichrichter " googeln, erhalten Sie einige weitere Vorschläge zu Ideen.

Serien (nicht invertierend) Diodenbegrenzer. Dies ist die einfachste Schaltung einer "idealen Diode", die in Reihe mit der Last RL geschaltet ist (die Last gehört nicht zur Schaltung):

In dieser Schaltung erhöht der Operationsverstärker seine Ausgangsspannung mit VF, um den unerwünschten (hier) Vorwärtsdiodenspannungsabfall VF zu überwinden. Schauen Sie sich auch diese Wikibooks-Geschichte an, um zu sehen, wie meine Schüler die unvollständige Diode in eine fast ideale "Diode" ohne VF umgewandelt haben ... oder klicken Sie auf das Diodensymbol in der Bibliothek der folgenden animierten Geschichte , um die Schaltung zu untersuchen:

Die Nachteile dieser nichtinvertierenden Schaltungslösung sind die Sättigung (bei der negativen Eingangshalbwelle) und der Gleichtaktfehler. Dann sehen wir uns eine weitere invertierende Implementierung einer "idealen Diode" an.

Paralleler (invertierender) Diodenbegrenzer. Diese ungerade Schaltung ähnelt einem Operationsverstärker-Protokollwandler, aber hier wird der Operationsverstärkerausgang nicht als herkömmlicher Schaltungsausgang verwendet; stattdessen dient der invertierende Operationsverstärkereingang als Ausgang?!? Mal sehen warum ...

Bei positiver Eingangsspannung (wenn die Schaltung begrenzt ist) addiert der Operationsverstärker eine Kompensationsspannung VOA = VF in Reihe mit dem Durchlassspannungsabfall VF über der Diode. Infolgedessen wird die Kombination der unvollständigen Diode und des Operationsverstärkers zu einer nahezu idealen virtuellen Diode mit einem Durchlassspannungsabfall von Null VF ≈ 0 ... und verhält sich wie ein Stück Draht. Der unvollständige passive Diodenbegrenzer (der Widerstand R und die Diode D), der die positive Eingangsspannung bei ungefähr 0,7 V abschneiden würde, hat sich in einen nahezu idealen Begrenzer umgewandelt, der die Spannung bei ≈ 0 V (virtuelle Masse) abschneidet.

Bei negativer Eingangsspannung erreicht der Operationsverstärker die positive Schiene ... die Diode ist ausgeschaltet ... und die Eingangsspannung wird über den Widerstand R an die Last angelegt (offensichtlich sollte R niedrig genug sein).

Verallgemeinerung. In beiden "idealen Dioden" -Implementierungen - nicht invertierend (seriell) und invertierend (parallel) - macht der Operationsverstärker tatsächlich dasselbe - er addiert eine Spannung (EMK) VF in Reihe zum Spannungsabfall VF über der Diode. Der einzige Unterschied besteht darin, dass im ersten Fall die Spannung vor der Diode mit VF erhöht wird (die Anode "hochgezogen" wird), während im zweiten Fall die Spannung nach der Diode mit VF abfällt (die Kathode "heruntergezogen" wird). .

Und als letzte Bemerkung: Wenn "Diode" "2-poliges Element" bedeutet, kann nur die letzte Topologie als Diode betrachtet werden. Dieses virtuelle Element besteht aus der Diode D, dem Operationsverstärker OA und der Stromversorgung -Vs (bestehend aus dem orangefarbenen Ballon im Bild unten). Das Ergebnis all dieser Kombinationen ist überraschend - Null Widerstand und Null Spannung über dem "Element" ... nur ein Stück Draht, das parallel zur Last kurzgeschlossen ist. Die beiden Anschlüsse sind der Summierpunkt (an dem der invertierende Eingang und die Diode angeschlossen sind) und der positive Anschluss der negativen Versorgung -Vs.

Hier ist eine weitere Wikibooks-Geschichte, in der meine Schüler auf diese Weise die unvollständige Diode in eine fast ideale "Diode" ohne VF umwandelten.