OP AMP整流与截波电路.docx
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OPAMP整流与截波电路
單元二十二OPAMP整流與截波電路
壹實習內容
實習22-1:
OPAMP截波電路
一.相關原理
OPAmp.(AMP)截波電路的作用是將波形變化量,設定在某一範圍內,超過此範圍,波形將被限制住而不能再增加或減少。
OPA若要做截波電路,必須要有稽納二極體的配合,因為稽納二極體在OPA的截波電路中,有穩壓與限制輸出電壓大小的功能。
圖22-1為基本之OPA截波電路,當OPA輸出之電壓足夠使稽納二極體逆向崩潰而導通,此時輸出波形將維持在VZ+VD之值並且反相。
稽納二極體的逆向崩潰電壓要小於OPA放大後之輸出電壓,否則OPA的輸出電壓將無法使稽納二極體逆向崩潰而導通。
圖22-2是另一種截波電路,V+、V-兩電壓使得稽納二極體永遠處於逆向崩潰區,而產生一穩定的VZ電壓,當輸出為正半週時,若其電壓小於(Vz+2VD),則D2與D4處於截止狀態;同理,當輸出為負半週時,若其電壓大於-(Vz+2VD),則D1、D3處於截止狀態,此時Vi與Vo的關係為反相放大器電路:
(22-1)
當OPA輸出電壓之大小,超過限壓值(Vz+2VD),則二極體將輪流導通,限制OPA輸出值。
若輸入為負半週,經放大
倍,輸出電壓超過(Vz+2VD),此時D2與D4導通,則輸出會經由D2、稽納二極體、D4而後到達虛擬接地點,輸出被限制在(Vz+2VD)。
反之,輸入為正半週,經放大
倍,而輸出超過-(Vz+2VD)電壓時,D1與D3導通,輸出經由D1、稽納二極體、D3而後到達虛擬接地點,輸出被限制在-(Vz+2VD)。
由於此電路是利用二極體有無導通來決定是否被限制輸出,因二極體的特性是沒有導通就幾乎沒有電流流過,因此其輸出會呈現非常強烈的轉折與直線,為硬限制器(HardLimitor)。
其參考輸出波形如圖22-3所示。
圖22-1基本的OPA截波電路
圖22-2OPA橋式截波電路
圖22-3硬限制器輸出波形
二.實習步驟
工作一:
基本的OPA截波電路
(1)按圖22-4接妥線路,以函數產生器輸給電路Vi振幅0.2Vpeak,頻率1kHz之正弦波,以示波器DC檔測Vo輸出波形。
(2)調整電源供應器,使電源至少隨Zener崩潰電壓之規格多3V。
(3)如表22-1所列,改變輸入波形電壓值,並繪出其輸出波形於表22-1中。
(4)如表22-1所列耐壓值,更換不同稽納二極體,並繪出其波形於表22-1中。
圖22-4OPA截波實驗電路
工作二:
OPA橋式截波電路
(1)按圖22-5接妥線路,Vi輸入振幅0.1V,頻率1kHz之正弦波,以示波器觀測OPA之VO波形,並記錄於表22-2中。
(2)改變輸入信號Vi的峰值大小如表22-2所列值,觀察VO之波形,並記錄於表22-2中。
(3)改變R3與R4之電阻如表22-2所列之值,觀察VO之波形並記錄於表22-2中。
R3、R4值改變時,對Vo波形有何影響?
圖22-5OPA橋式截波電路
三.結果數據
表22-1基本OPA截波電路輸出波形
表22-2OPA橋式截波電路輸出波形
實習22-2:
OPAMP整流電路
一.相關知識
二極體可作整流電路,但因受到順向飽和電壓降影響(矽約0.7V,鍺約0.2V),所以對小信號的交流電壓無法適用,如果與運算放大器組合成超級二極體(Superdiode),其組合能變成電壓隨耦器,而得到精確的結果。
圖22-6為基本運算放大器的半波整流電路。
當輸入正弦波,正半週時Vin大於零,OPAMP輸出為正電壓,二極體導通,虛擬短路使OPAMP形成電壓隨耦器,Vout=Vin。
負半週時,Vin小於零,OPAMP輸出為負電壓,二極體不導通,故Vout=0。
圖22-7為運算放大器之半波整流電路。
因輸入信號接於OPAMP的反相輸入端,如果不考慮二極體時,則為反相放大器,加入二極體後,當VI大於0時,OPAMP輸出為負電壓,故D2導通,則OPAMP輸出因虛擬接地,會被箝制在比接地少一個二極體壓降的負電壓,造成D1截止,無法形成負回授,因此整流器的輸出端Vo=0。
當VI小於0時,OPAMP輸出為正電壓,D1則導通,形成負回授,整流器輸出為
,乃一正電壓波形,其結果如圖22-8所示。
圖22-9為運算放大器之全波整流電路。
當VI大於0時,因為OPAA2是非反相組態,輸出A為正電壓,二極體D2導通,則A2回授電路使A2輸入端出現虛擬短路,則VO=VI,R1與R2不會有電流流過,此時A1之反相輸入端電壓為VI,因A1為反相組態,故A1之輸出端B為負電壓,則D1截止。
當VI小於0時,OPAA2輸出A為負電壓,D2截止,OPAA1因是反相組態,所以VI經R1輸入OPAmpA1,輸出B為正,使二極體D1導通,構成OPAmpA1之負回授路徑,VO=
,為正電壓波形,若選擇R1=R2,則VO=VI。
其波形與轉移特性曲線如圖22-10所示。
全波整流電路的功能是無論輸入為正或負,均以絕對值輸出,所以又可稱為絕對值電路(AbsoluteValueCircuit),此外輸出的平均電壓是半波整流電路的2倍,波形也比較連續。
圖22-6基本OPA組成之超級二極體
圖22-7OAAmp之半波整流電路
圖22-8OPAmp半波整流電路波形
圖22-9OPAmp之全波整流電路
圖22-10OPAmp全波整流電路波形與轉移特性曲線
二.實習步驟
工作一:
半波整流
(1)按圖22-11連接線路,將輸入信號Vi調至1kHz,振幅為0.5V正弦波。
(2)以示波器DC檔觀測Vo之波形,並記錄於表22-3中。
(3)依表22-3所列,改變輸入電壓Vi,與電阻R2之值,觀察Vo波形並記錄於表22-3中。
圖22-11OPAmp半波整流實驗電路
工作二:
全波整流
(1)按圖22-12接妥線路。
將輸入信號Vi調為1kHz,振幅0.5V正弦波,以示波器DC檔觀測VO波形,並記錄於表22-4中。
(2)改變Vi峰值電壓如表22-4所列,觀測VO波形並記錄於表22-4中。
(3)依表22-4所列改變圖22-12之R2、R3電阻值,重覆步驟
(2)。
圖22-12OPAmp全波整流實驗電路
三.結果數據
表22-3半波整流電路實驗輸出波形(Vo)
表22-4全波整流電路實驗輸出波形(Vo)
貳問題與討論
1.若將圖22-2中的R2變小,輸出波形有何改變?
與原來之波形有何差別?
為甚麼?
2.若輸入三角波或方波於圖22-4中,其輸出波形將為何?
3.一個OPAmp可不可以做全波整流電路?
為什麼?
4.若將圖22-12中的二極體方向調換,結果將會如何?
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