半波整流设计

1、滁州职业技术学院信息工程系 2011届应用电子专业毕业论文姓 名:班 级:设计课题：精密全波整流电路指导教师:2011年11月20日目录摘要 3第 1 章 集成运放 41.1 集成运放电路的组成和各部分电路的功能特点 41.2 集成运放电路 51.3 uA741的认识 6第2章RC振荡电路72.1 振荡电路介绍 72.2 RC 振荡电路原理 7第 3 章整流电路 103.1 半波整流电路 103.2 精密半波整流电路 113.3 整流电路 133.4 精密的全波整流电路 14第 4 章 精密整流电路的设计 194.1 电路图的确定 19致谢 22参考文献 23摘要近年来，随着大规模集成电路技术

2、的日益成熟，单片机以其高可靠性，广泛应用于工业控 制系统的各个领域，在工业控制过程中，以计算机系统对被控对象的测试和对控制条件检测 的准确与否，信号采样回路是关键的一环，它决定系统控制的成败，如何处理采样进来的交 流输入信号，使其准确与否反映外部设备的运行情况，整流电路的精确度起着至关重要的作 用。本设计介绍了以单运放为主题， 构成的精密全波整流电路， 并详细的介绍精密全波整流电路的原理，并对其如何提高精度、克服非线性误差加以分析，以RC振荡电路作为信号源，并在RC振荡电路输出部分加分压器，来调整输出波形幅度。从而达到理想目标。第1章集成运放1.1集成运放电路的组成和各部分电路的功能特点集成运

3、算放大电路是一种直接耦合的多级放大电路。它的放大倍数非常高、输入电阻也 高，输出电阻低，应用非常广泛。它的内部电路比较复杂，但一般由四部分组成：偏置电 路、输入级电路、输出级电路和中间级电路。各部分电路特点为：1) 输入级：一般由差放电路组成，它的特点是：输入电阻高，放大共模信号，抑制差模信号2) 输出级:一般由互补对称电路组成，它的特点是输出电阻小，输出功率大，带负载能力强。3) 中间级：一般由共射放大电路组成，它的特点是电压放大倍数高。4) .偏置电路：一般由恒流源电路组成，它的特点是能提供稳定的静态电流，动态电阻很高，还可作为放大电路的有源负载。集成运算放大电路有两个输入端、一个输出端，

4、电路符号为：1.2集成运放电路集成电路是把晶体管、必要的元件以及相互之间的连接同时制造在一个半导体芯片上（如硅片），形成具有一定电路功能的器件。与分立元件组成的放大电路相比，具有体积小、质量轻、功耗低、工作可靠、安装方便而又价格便宜等特点。集成电路就其集成密度而言，有小规模、中规模、大规模和超大规模之分；就其所用器材来分，有双极型 （NPN PNP管）、单极型（MOS管）和两者兼容的三种类型。在集成电路中，相邻原件的参数具有良好的一致性。集成运算放大器简称集成运放，是具有高放大倍数的集成电路。它的内部是直接耦合的多级放大器，整个电路可分为输入级、中间级、输出级三部分。输入级采用差分放大电路以消

5、除零点漂移和抑制干扰；中间级一般采用共发射极电路，以获得足够高的电压增益；输出级一般采用互补对称功放电路，以输出足够大的电压和电流，其输出电阻小，负 载能力强。集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高性能、低价位，在大多数情况下，已经取代了分立原件放大电路！如前所述，集成运放电路是一种高放大倍数，高输入电阻，低输出电阻的直接耦合放大电路由于直接耦合式电路存在的温漂问题，所以对温漂影响最大的第一级电路几乎毫无例外地采用了差动放大形式为了得到高放大倍数，中间级大多采用了共射（共源）放大电路,并 常常设计成有源负载以获得更高的放大倍数.同时为了提高带负载能力，多采用互补型跟随 式输出级电

6、路运放电路一般多由二至三级放大环节组成 ，这是因为级数越多，输出与输入 信号之间相移越大，引入负反馈以后，越容易产生自激振荡，使得电路无法正常工作级数少 一级，则比较容易采取简单的方法消除可能产生的自激振荡1.3 uA741的认识（图1.1 1 uA741的实物图）匸匚匚匚17-34* - Offs el nu I 12 - Inv&rting input3 - No n-indETUng in pul4 - Vcc_5 亠 Offset nu I 26 亠 0 it （put7 - 'Y& - MU（1.1-2 uA741引脚排布）uA741应用非常广泛，双列直插8脚

7、或圆筒8脚封装。工作电压土 22V,差分电压土 30V,输入电压土 18V,允许功耗500mV其管脚与OP07（超低失调精密运放）完全一样，1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源8空脚第2章RC振荡电路2.1 振荡电路介绍什么是振荡电路 能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。一般由电阻、电感、电容等元件和电子器件所组成。 由电感线圈 l 和电容器 c 相连而成的 lc 电路是最简单的一种振荡电路，其固有频率为 f=sx（12 n lc。什么是RC振荡电路采用RC选频网络构成的振荡电路称为 RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz1MHZ勺低频

8、信号。因为对于 RC振荡电路来说，增大电阻 R即可降低振荡频率，而增大 电阻是无需增加成本的。常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高， 若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路 要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的 RC振荡电路。2.2 RC 振荡电路原理一、功能：RC正弦波振荡器可产生幅值连续可调和频率可调的正弦波二、性能指标：采用RC选频网络构成的振荡电路称为 RC正弦波振荡电路；它适用于低频振 荡。在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能够取代输入信号，即电路中必须引入正反馈；二 要有外加

9、的选频网络，用以确定振荡频率 。三、电路图及其原理RC桥式正弦振荡电路（图2.2 1）所示。其中R1、C1和R2、C2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3 RW及 R4组成负反馈网络，调节 RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压 增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管D1, D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻 R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3 RW 及R4

10、决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动 态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。 I >£（图2.2 1RC震荡电路）（图2.22仿真图形）为了维持振荡输出，必须让Rf1 +=3为了保持电路起振Rf1+TT > 3R； =R +（：）当 R4=R2=Rig 3= C2=（时寸电路的震荡频率：f =2ttRC起振的幅值条件：Rf二 2R3调整电阻RW （即改变了反馈R f ）,使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明 负反馈太强，应

11、适当加大 Rf，如波形失真严重，则应适当减少 Rf。改变选频网络的参数C或R,即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换（粗 调），而调节R作量程内的频率细调3.1半波整流电路第3章整流电路半波整流电路如图3.1-1所示。它由电源变压器Tr整流二极管D和负 载电阻RL组成，变压器的初级接交流电源，次级所感应的交流电压为富1 zn?n-2V浪整盘电路其中U2m为次级电压的峰值，U2为有效值。电路的工作过程是：在u2的正半周（3 t = 0n）,二极管因加正向偏压而导通，有电流 iL 流过负载电阻RL。由于将二极管看作理想器件，故 RL上的电压uL与u2的正半周电压基本 相同。（图3.1-

12、1 ）在u2的负半周（3 t = n 2n），二极管D因加反向电压而截止，RL上无电流流过，RL上的电压uL = 0。可画出整流波形如图3.1-2所示可见，由于二极管的单向导电作用，使流过负载电阻的电流为脉动电流，电压也为一单向脉动电压，其电压的平均值（输出直流分量）为2 ft亠流过负载的平均电流为流过二极管D的平均电流（即正向电流）为*我整盜肌站的砲比及电讹菠器I , = /? = 0.45（图 3.1-2）%氐加在二极管两端的最高反向电压为二选择整流二极管时，应以这两个参数为极限参数。半波整流电路简单，元件少，但输出电压直流成分小（只有半个波），脉动程度大，整流效率 低，仅适用于输出电流小

13、、允许脉动程度大、要求较低的场合。3.2 精密半波整流电路半波精密整流电路整流：将交流电转换为直流电，称为整流。精密整流电路的功能：将微弱的交流电压转换成直流电压。整流电路的输出保留输入电压的形状，而仅仅改变输入电压的相位。当输入电压为正弦波时， 半波整流和全波整流输出电压波形如图 3.2-1所示。在如图3.2-1 （a）所示的半波整流电路中，由于二极管的伏安特性如图 （b）所示，当输入电压 ul幅值小于二极管的开启电压 Uon时，二极管在信号的整个周期均处于截止状态，输出电压 始终为零。即使ul幅值足够大，输出电压也只反映ul大于Uon的那部分电压的大小。因此， 该电路不能对微弱信号整流。半

14、玻整流电路（«-极管的挨陵特性j般半波整流电路（图 3.2-1）半波精密整流电路如图3.2-2 （a）所示，其工作原理:当uI>0时，必然使集成运放的输出u/O<0,从而导致二极管D2导通，D1截止，电路实现反相比例运算，输出电压派形分析半波精密整流电路及其波形（图 3.2-2）当uI<0时，必然使集成运放的输出u/O>0,从而导致二极管D1导通，D2截止，Rf中电流为 零，因此输出电压uO=0 uI和uO的波形如图（b）所示。如果设二极管的导通电压为 0.7V，集成运放的开环差模放大倍数为 50万倍，那么为使二 极管D导通，集成运放的净输入电压A 7吐一U

15、二 _ 卩二 014x10*7二 1一4出/5xlOJ同理可估算出为使D2导通集成运放所需的净输入电压，也是同数量级。可见，只要输入电压ui使集成运放的净输入电压产生非常微小的变化，就可以改变D和D工作状态，从而达到精密整流的目的3.3整流电路全波整流电路是一种对交流整流的电路，能够把交流转换成单一方向电流，最少由两个整流 器合并而成，一个负责正方向，一个负责负方向，最典型的全波整流电路是由四个二极管组 成的整流桥，一般用于电源的整流。在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流 器件（比如晶体二极管），而在另一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器 件的连接能使流经它们的电流以

16、同一方向流过负载。（图 3.3-1）全波整流电路原理：全波整流使交流电的两半周期都得到了利用。其各项整流因数则与半波整流时不同。全波整流电路如图所示。它是由次级具有中心抽头的电源变压器Tr、两个整流二极管 D1、D2和负载电阻RL组成。变压器次级电压u21和u22大小相等，相位相反。在u2的正半周（3 t=0 n） D1正偏导通，D2反偏截止，RL上有自上而下的电流流过，RL上的电压与u21相同。在u2的负半周（3 t= n 2 n），D1反偏截止，D2正偏导通，RL上也有自上而下的电流流过，RL上的电压与u22相同全波整流电路特点：在包括差分地放大输入交流信号以产生第一和第二放大的输出电压的

17、差分放大器，以及 用于产生参考电压的电压参考电路的全波整流电路中，差分对电路在参考电压的基础上对第 一和第二放大的输出电压进行半波整流，以获得第一和第二半波整流的电流。差分对电路包 括组合部分，用于将第一和第二半波整流电流组合成全波整流电流。全波整流电路还可包括 电流电压转换部分，用于将全波整流的电流转换成全波整流的电压。一种具有第一和第二电源端子的全波整流电路，其第一和第二电源端子分别加有第一和 第二电源电位，第一电源电位高于第二电源电位，其特征在于所述全波整流电路包括：差分 放大器，具有在其间加有输入交流信号的第一和第二放大器输入端，用于差分地放大输入交 流信号，所述差分放大器具有第一和第

18、二放大器输出端，用于分别产生第一和第二放大的输 出电压，二者彼此反相；电压参考电路，用于在第一和第二电源电位之间产生参考电压；以 及差分对电路，具有分别联到第一和第二放大器输出端的第一和第二差分输入端，并且具有 加有参考电压的参考输入端，用于在参考电压的基础上对第一和第二放大的输出电压进行半 波整流G。全波整流电路作用：全波整流输出电压的直流成分（较半波）增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、 制造麻烦，整流二极管需承受的反向电压高，故一般适用于要求输出电压不太高的场合。3.4 精密的全波整流电路精密整流电路克服线性差的分析 :二极管具有单向导电性 , 它是最常用的整流元件 . 由它可以构

19、成许多整流电路如 , 半波整 流、全波整 流、桥式整流等 , 这是大家所熟知的 . 但二极管的非线性将产生相当大的误差 ,特别是当信号幅度小于二 极管的死区电压时 , 问题尤其严重 , 因此说由二极管构成的整流电路精度较低为了提高精度，可以用运 算放大器来组成整流电路，利用集成运放的放大作 用和深度负反馈克服二极管非线性造成的误差（图 3.4-1）下面分析一下电路的工作情况：当U. 0时,集成运放的输出电压 0 ,二极管I 截止， 导通集成运放工作在深度负反 馈，此时这个电路相当于一个放大倍数为1的反比例电路，因此有： : =- H/匚：当匕0时，集成运放的输出电压咕 0 ,二极管11 导通，

20、门二 截止，山.-0.7 V , 其输出电压Uo = 0（因集成运放反相输入端为虚地）.在这个过程中集成运放也处于深反馈 状态，其反馈电阻很小（为防止放大器负向饱和）,这样当输入信号极性变化后，可使输出电 压极性加速转换.那么精密整流电路是如何克服线性差问题的呢在图3.4-1电路中，如果D2 是一个理想二极管（导通时电压降为零、截止时反向电流为零），无疑这个电路一定具有理想的整流特性，但是理想二极管是不存在的，D2只是一个普通二极管，弱信号时（其幅值I与二极管的死区电压相差不大，甚至更小的电压），D2阳极 电压U盘，如与输入电压|U|相等（假设放大器=-1），则D2的阴极电压一定低于这个值，

21、这时放大器反馈减弱，即工：（反馈量）变小，在甌 （输入量）不变的情况下，代.=A0：-=：） 增大（其中A是放大器的开环放大倍数）。这样D2的阴极电压势必超过卩此|,直到它的阴极电 压:与P'd相近时为止。这就是精密整流电路能够克服二极管非线性，提高精度的原因所在。甚至在毫伏级的微弱信号区U口的输出特性曲线也很好。341全波精密整流电路分析图341-1是用两个运放组成的搞线性的全博精密整流电路R7o；R6s.lkR35 ikin -1223V+ 12VU3HATH(图 3. 4.1-2 )(图 3.4.1-3 )HxU2的输出电压二'L10K17=-''；信号正

22、半周时，电路可简化如图，这时U3的输入信号有两个:由输入端直接传到R7的电压=+.这时U3是一个加法器，利用叠加原理将这两个输入电压叠加后其输出电压为:U X Ur X :=-+-(-. )=信号为负半周时，电路简化如图，这时U2的输出电压为0，U3作为一个反向器，其输出电压为：U X L.=-二 LI.在使用上述电路时必须注意两点：1为消除输入偏置电流对输出电压的影响，平衡电阻R3与R7的取值应满足:R3 = R1 II R2 ;R7 = R4 | R| R5. (2) 输入电压UI <± 12V/2 ,以防止输出电压失真，影响测试结果 整流后波形图将交流电转换为直流电称为整

23、流。全波整流电路的输出保留输入电压的形状，而仅仅改变输 入电压的相位。半波和全波整流电路在功能上和精密整流一样，由于二者的适用范围不同， 理解时应区分二者的结构和工作原理。当输入电压为正弦波时，半波整流电路的输出电压波形如图3.4。1-4中uO1所示，全波整流电路的输出电压波形如图 341-4中uO2所示。ulr a 0M M f叫叫 诚F畑）Illin n U1 1 1 f4444O图1整沐电路的波理1(图 )精密整流电路的功能是可以将微弱的交流电压过零处附近准确转换成直流电压第4章精密整流电路的设计4.1电路图的确定根据设计要求，结合了 RC振荡电路与精密整流电路确定了毕业设计电路（图 4.1