Wie kann ein Operationsverstärker als Präzisionsdiode fungieren?

Ein idealer Operationsverstärker möchte seine beiden Eingänge durch den negativen Rückkopplungspfad spannungsgleich machen. Betrachten Sie eine sehr einfache "Präzisionsdiode":

Beachten Sie, dass der invertierende Eingang (-) auch Vout ist. Vin ist der andere Eingang. Denken Sie daran, dass der Operationsverstärker seine Eingänge auf die gleiche Spannung bringen 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-Volt-Abfall der Diode beobachten. Aber der Operationsverstärker sieht diesen Unterschied immer noch. An dem Punkt, an dem Vout 0,65 V weniger als Vin beträgt, gibt es immer noch einen Unterschied zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers, und folglich treibt er den Ausgang noch höher und sucht ein Gleichgewicht, bei dem die beiden Eingänge die gleiche Spannung haben.

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

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

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

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

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

Es gibt einfachere Schaltungen, die eine Diode verwenden, aber wenn Sie ein ziemlich schnelles Signal präzise gleichrichten müssen, müssen Sie vermeiden, den Verstärker zu sättigen, wenn die Hälfte der Wellenform mit der "falschen" Polarität vorhanden ist - dies wird mit der zusätzlichen Diode erreicht ( D2 im Diagramm oben).

Wenn Sie " Präzisionsgleichrichter " googeln, erhalten Sie einige weitere Ideenvorschläge.

Serieller (nicht invertierender) Diodenbegrenzer. Dies ist die einfachste Schaltung einer "idealen Diode", die in Reihe zur Last RL geschaltet ist (die Last gehört nicht zur Schaltung):

In dieser Schaltung erhöht der Operationsverstärker seine Ausgangsspannung mit VF, um den (hier) unerwünschten Spannungsabfall VF der Vorwärtsdiode zu überwinden. Schauen Sie sich auch diese Wikibooks-Geschichte an, um zu sehen, wie meine Schüler die unvollkommene Diode in eine fast ideale "Diode" ohne VF umgewandelt haben ... oder klicken Sie auf das Diodensymbol in der Bibliothek der animierten Geschichte unten, 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-Log-Konverter, aber hier wird der Ausgang des Operationsverstärkers nicht als herkömmlicher Schaltungsausgang verwendet; stattdessen dient der invertierende OP-Eingang als Ausgang?!? Mal sehen warum...

Bei positiver Eingangsspannung (wenn die Schaltung begrenzt) fügt der Operationsverstärker eine Kompensationsspannung VOA = VF in Reihe mit dem Durchlassspannungsabfall VF über der Diode hinzu. Infolgedessen wird die Kombination aus der unvollkommenen Diode und dem Operationsverstärker zu einer nahezu idealen virtuellen Diode mit einem Durchlassspannungsabfall von Null VF ≈ 0 ... und sie verhält sich wie ein Stück Draht. Der unvollkommene passive Diodenbegrenzer (der Widerstand R und die Diode D), der die positive Eingangsspannung bei etwa 0,7 V begrenzen würde, hat sich in einen fast idealen Begrenzer verwandelt, der die Spannung bei ≈ 0 V (virtuelle Masse) beschneidet.

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 fügt eine Spannung (EMK) VF in Reihe zum Spannungsabfall VF über der Diode hinzu. Der einzige Unterschied besteht darin, dass es im ersten Fall mit VF die Spannung vor der Diode erhöht ("Zieht die Anode hoch"), während es im zweiten Fall mit VF die Spannung nach der Diode senkt ("Zieht die Kathode herunter") .

Und als letzte Bemerkung, wenn "Diode" "2-Terminal-Element" bedeutet, dann 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 Kombination ist überraschend - kein Widerstand und keine Spannung über dem "Element" ... nur ein Stück Draht, das parallel zur Last geschaltet (kurzgeschlossen) ist. Die beiden Anschlüsse sind der Summierpunkt (wo 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 unvollkommene Diode in eine fast ideale "Diode" ohne VF umgewandelt haben.