傳統(tǒng)上,，精密半波和全波整流器均采用精心挑選的元件,，這些元件包括高速運算放大器、快速二極管和精密電阻,。元件數(shù)量繁多致使這種解決方案成本很高，而且無法擺脫元件間交越失真、溫度漂移變化的困擾,。
本文介紹了如何配置雙通道差動放大器—不需任何外部元件來提供精密絕對值輸出,。這種創(chuàng)新方案可以比傳統(tǒng)方案實現(xiàn)更高精度、更低成本和功耗,。
如圖1所示,，差動放大器1包括一個運算放大器和四個電阻，它們配置成一個減法器,。低成本單芯片差動放大器內(nèi)置激光晶圓調(diào)整電阻,，提供極高增益精度、低失調(diào),、低失調(diào)漂移,、高共模抑制以及比分立替代器件更出色的整體性能。
圖1. 差動放大器
傳統(tǒng)絕對值電路
圖2所示為常用全波整流器電路示意圖,。這種設(shè)計依賴兩個快速運算放大器和五個精密電阻來獲得高性能,。當(dāng)輸入信號為正時，A1的輸出為負(fù),，所以D1反向偏置,。D2正向偏置，從而關(guān)閉A1附近經(jīng)過R2的反饋環(huán)路并形成反相放大器,。A2將乘以增益-2的A1輸出和乘以增益-1的輸入信號相加,，得到凈增益+1。當(dāng)輸入信號為負(fù)時,，D1正向偏置,，從而關(guān)閉A1附近的反饋環(huán)路。D2反向偏置,，故不導(dǎo)通,。A2將輸入信號反相，產(chǎn)生正輸出,。因而,，A2的輸出為正電壓，表示正負(fù)輸入的絕對值,。
圖2. 標(biāo)準(zhǔn)全波整流器2, 3
這種設(shè)計有幾個固有的性能和系統(tǒng)缺點,，如成本、交越失真,、增益誤差及噪聲等,。該設(shè)計要求雙電源和許多高性能元件，進(jìn)一步提高了成本和復(fù)雜度,。由于輸入信號跨越0 V + ΔV和0 V – ?V,，A1的輸出必須在–VBE至+VBE之間擺動,，所以響應(yīng)時間可能較長。高速運算放大器和二極管可以幫助減輕這個問題,，不過代價是更高的功耗,。絕對值輸出的增益精度取決于R1、R2,、R3,、R4和R5的匹配程度。甚至一個電阻的小量失配,，也會造成正負(fù)絕對值峰值之間的巨大誤差,。整體噪聲增益為6，放大了運算放大器噪聲,、失調(diào)和漂移效應(yīng),。
改進(jìn)的絕對值電路
圖3所示為更簡單、更有效的絕對值電路,，只需一個 AD82774 雙通道差動放大器和一個正電源,。當(dāng)輸入信號為正時，A1充當(dāng)電壓跟隨器,。A2兩個輸入端的電位與輸入信號相同,，所以A2只是將正信號傳遞到輸出端。當(dāng)輸入信號為負(fù)時,，A1輸出端處于0 V,，而A2 反轉(zhuǎn)輸入信號。最終獲得輸入信號絕對值,?？稍诟哌_(dá)10 kHz的頻率下對高達(dá)±10 V的信號進(jìn)行整流。如果要整流的信號非常微弱,，在每個運算放大器輸出端放置一個下拉電阻可以提高0 V附近的電路性能,。
圖3. 利用AD8277的單電源絕對值電路
這個電路看似簡單，但功能可行,，這完全得益于AD8277出色的輸入輸出特性以及單電源工作能力,。和大多數(shù)單電源供電應(yīng)用不同，該差動放大器的輸入可在0 V 以下驅(qū)動,。這允許A1的輸入端在接受負(fù)輸入信號的同時,，保持0V輸出。輸入端集成ESD二極管,，過壓保護(hù)能力更魯棒,。圖4所示為1 kHz 20 V p-p輸入信號的輸入和輸出波形及特性。
圖4. (a) 1 kHz 20 -V p-p輸入信號的輸入和輸出(b) 輸入與輸出特性曲線
這個改進(jìn)的絕對值電路克服了傳統(tǒng)整流器設(shè)計的諸多缺陷,，其價值超乎想象,。其中最為突出的是減少了所需元件數(shù)：只需一個器件,。取消了外部二極管，同時也消除了交越失真,。激光晶圓調(diào)整電阻精確匹配,，確保增益誤差低于0.02%。電路的噪聲增益只有2,，噪聲,、失調(diào)及漂移更低,。由于采用2 V至36 V單電源供電,，AD8277靜態(tài)電流低于400 μA,。
結(jié)論
采用單個雙通道差動放大器構(gòu)建的精密全波整流器在多個方面超越了傳統(tǒng)設(shè)計,。其中最值得一提的是,，取消了高性能外部元件和雙電源,，成本和復(fù)雜程度均大幅降低,。該差動放大器解決方案不存在交越恢復(fù)問題并經(jīng)優(yōu)化以在廣泛溫度范圍內(nèi)獲得低漂移,。采用AD8277,，可利用單個IC實現(xiàn)低功耗、低成本,、高精密絕對值電路,。