Introducción a circuitos de rectificador activos con amplificadores operativos

Diseño de un circuito de rectificación activo es esencial para detectar señales AC con precisión en una amplia gama de sistemas electrónicos, desde el procesamiento de audio hasta la instrumentación de precisión. Los rectificadores de diodos pasivos tradicionales sufren de caídas de tensión no lineales y linealidad limitada, haciéndolos inadecuados para señales de bajo nivel o aplicaciones de alta precisión.

Fundamentos de detección y rectificación de señales AC

La detección de señales AC requiere convertir una onda bipolar que varia tiempo en una representación unipolar que puede medirse, digitalizarse o procesarse.El método más común es la rectificación, que preserva la amplitud y forma de la señal al eliminar el medio ciclo negativo. Receptores pasivos que utilizan diodos discretos introducen una caída de tensión avanzada (típicamente 0,6–0,7 V para diodos de silicio) que distorsionan la precisión de la señalización

Para hacer frente a estas limitaciones, los ingenieros emplean rectificadores activos] que utilizan amplificadores op en los circuitos de retroalimentación para eliminar virtualmente las gotas de voltaje de diodo. Al controlar la conducción de diodo a través de la alta ganancia de la amplificación, el circuito logra rectificación casi ideal con mínima compensación y excelente linealidad.

  • Detección y medición del nivel de audio
  • Conversión de RMS a DC
  • Medición de potencia en metros de energía
  • Sensor de señalización
  • Sistemas de adquisición de datos

Cómo funciona un Rectificador Activo: Amp Op en modo de precisión

El concepto básico detrás de un rectificador activo es colocar un diodo dentro del bucle de retroalimentación de un op. En una configuración estándar, la alta ganancia de apertura de la opcion de la opcion obliga la diferencia de tensión entre su invertido y los no-invertir entradas a casi cero (vídeo corto).Cuando la señal de entrada va positiva, la salida de la optima oscila suficientemente positiva para la salida de la diodo, permitiendo la corriente de retorno

El mismo principio se puede extender a la rectificación de onda completa utilizando dos amplificadores de operaciones o un solo amplificador de operaciones con una red de diodos de precisión. El resultado es un rectificador con compensación extremadamente baja (limitado sólo por el voltaje de entrada de la amplificación) y alta linealidad hasta niveles de microvoltios.

Tipos de circuitos de rectificador activo

Rectificador de mediana medida de precisión

El rectificador activo más simple es la configuración de media onda, también conocida como un circuito . Utiliza un dispositivo de salida, un diodo y unos pocos resistores. La salida equivale a la entrada durante el medio ciclo positivo y cero durante el medio ciclo negativo (o viceversa con polaridad de diodo inversa).

Rectificador de precisión de un cuerpo completo

Los rectificadores activos de onda completa producen una salida que es el valor absoluto de la señal de entrada. Existen dos implementaciones comunes:

  • Configuración de dos opciones: El primer amplificador de operaciones realiza rectificación de media onda; el segundo amplificador de operaciones resume la salida con la señal original para crear el valor absoluto completo.
  • Configuración de la gama de sonido con combinación de invertir/no invertir: Un solo sello de op más cuatro diodos de precisión pueden realizar un circuito de valor absoluto, aunque requiere resistencias a juego para sumar con precisión.

La topología de onda completa es esencial para la medición precisa de RMS, compresión de nivel de audio y detección de sobres. Enlace externo:] Dispositivos de análogo Artículo técnico: Diseño de rectificador de gran medida

Selección de componentes y diseño de circuitos

Selección de amplificador operativo

Elegir el amplificador de la op derecha es crítico para el rendimiento del rectificador activo.

  • Tensión offset de entrada (V]os]):] El offset bajo minimiza el error a bajos niveles de señal. Para la detección de microvoltios, elige los amplificadores con V ] debajo de 100 μV, como el OPA2188 o AD8628.
  • ] Producto ancho de banda de gas (GBW): El amplificador de operaciones debe tener suficiente ancho de banda para manejar el componente de frecuencia más alta de la señal AC sin un cambio de fase significativo. Para frecuencias de audio (20 Hz–20 kHz), un GBW de 1 MHz es adecuado; para frecuencias más altas, considere √10 MHz.
  • ]Tamaño delgado: Una alta tasa delgado asegura que la salida puede seguir transiciones rápidas sin distorsión, especialmente para ondas cuadradas o ondas sineticas de alta frecuencia.
  • Entrada y salida de radio a cara: Útil para el funcionamiento de una sola sola sola dosis y maximizando el rango dinámico.

Selección de Diode

Los diodos Schotky (por ejemplo, 1N5819) son preferidos por su baja tensión de avance (0.3–0.4 V) y velocidad de conmutación rápida, que reduce los artefactos de recuperación. Para una baja caída, use transistores de precisión conectados con diodos en la ruta de retroalimentación, como se encuentra en algunos ICs de reversatorio de aplicación.

Valores de Resistor y Capacitor

[LT:] [FLT] [FLT]] [FLT]]] y la resistencia a la entrada (Rin]) marcaron la ganancia durante la realización de la media ciclo: Ganancia = – Rf

Diseño e implementación de Paso a Paso

Diseño de un rectificador de mediana medida de precisión

Considere el siguiente circuito para un rectificador activo de media onda no invertido:

  1. Conecte la entrada: Aplica la señal AC a la entrada no invertida de la op amp (por ejemplo, OPA2188).
  2. Red de alimentación: Conecte la entrada de inversión directamente a la salida de la salida de la op mediante una resistencia de retroalimentación de 10 kΩ (Rf).
  3. Colocación de los dióxidos: Insertar un diodo Schottky (por ejemplo, 1N5817) entre la salida de la op y el nodo de retroalimentación, con el ungido hacia la salida para la rectificación positiva de media onda.
  4. Resistente y filtrado de salida: Conecte un resistor de carga de 10 kΩ desde el nodo de retroalimentación hasta el suelo. Coloque un condensador de 1 μF en paralelo con Rf para filtrar la salida (corte Ω 16 Hz).
  5. Fuente de potencia: Proveer el amplificador de op con ±5 V a ±15 V (suministración dual) o +5 V a +15 V con un terreno virtual (suministración de tubos). Uso condensadores de bypass (0.1 μF cerámica más 10 μF electrolítica) cerca de los pines de potencia.

Prueba el circuito con una onda sine 1 kHz, 1 Vpp]. La salida debe mostrar el medio ciclo positivo con una tensión máxima muy cercana a 0.5 V (mediante la entrada de pico a pico) y un cero plano durante el ciclo medio negativo.

Construyendo un Rectificador de Agua Llena usando dos Amps Op

Un rectificador activo de onda completa robusto se puede construir con dos amplificadores de op de la siguiente manera:

  1. Primera etapa (half-wave): Configure U1 como un rectificador de media onda de precisión como arriba. La salida (V1) es el medio ciclo positivo de la entrada.
  2. [LT] [LT] [FLT] [VLT] [página 2] [página 2] [página 2] [página 2] [página 2] [página 2] [página 1]

Con una resistencia cuidadosa (1% de tolerancia o mejor), esta topología ofrece una excelente simetría y baja ondulada.

Consideraciones de diseño avanzado

Limitaciones de ancho de banda y de flujo

En frecuencias altas, el ancho de banda limitado de la op introduce el cambio de fase, lo que puede hacer que el rectificador activo se comporte como un amplificador lineal para ambos ciclos, reduciendo la eficiencia de rectificación. Use amplificadores de op con GBW μ10 velocidades la frecuencia máxima de señal. Limitaciones de la tasa de rocío pueden causar distorsión cruzada cuando la señal pasa a través de cero; seleccione un amplificador de audio/100

Voltaje de entrada y derivación

Los errores de crossover de voltaje cero surgen de la tensión de compensación de entrada. Por ejemplo, un Vos de 1 mV hará que la salida permanezca en 1 mV en lugar de 0 durante el bloqueo de medio ciclo. Utilice los amplificadores de opacidad estabilizados por auto-cero o helicóptero (por ejemplo, LTC2057, MAX4238) para reducir los niveles de offset a submic.

Consideraciones de ruido

Configuración de retroalimentación de alta ganancia amplifica el ruido de op amp. Coloca un pequeño condensador (10–100 pF) en la resistencia de retroalimentación para limitar ancho de banda por encima del rango de señal. Usar amplificadores de opac de baja altura como el OPA1612 para aplicaciones críticas.

Operación de suministros únicos

Para sistemas de batería o de solas, sesgo la señal de entrada a medias (por ejemplo, V]CC/2) utilizando un divisor resistivo y un búfer. El rectificador activo funciona con un terreno virtual, y la salida se refiere al mismo voltaje de sesgo.

Simulación y Pruebas

Antes de construir el circuito, simular que utilice herramientas basadas en SPICE (LTSpice, TINA-TI) para verificar el rendimiento. Puntos de simulación clave:

  • Aplicar una onda sine a varias amplitudes (10 mV a 10 V) y frecuencias (100 Hz a 100 kHz).
  • Plot de entrada y de salida de ondas; comprobar por linearidad, errores de compensación y onda de salida.
  • Realizar barridos paramétricos en valores de resistencia y modelos de diodos para optimizar el filtrado y la precisión.

Para la prueba de hardware, utilice un osciloscopio con una sonda de alto impacto. Medir el nivel de salida DC con un multimetro y comparar con el valor promedio teórico de la señal rectificada. Enlace externo:] N Guía para la simulación SPICE]

Aplicaciones Prácticas de los circuitos de rectificador activos

Los rectificadores activos se utilizan en:

  • Menos de nivel de audio: Convertir señales de audio AC en un voltaje DC proporcional a la amplitud para los metros de VU o gráficos de barra LED.
  • Convertidores de RMS-to-DC: Combinados con un filtro de baja velocidad, el rectificador de onda completa forma el núcleo de un detector RMS, ampliamente utilizado en varios metros y analizadores de calidad de potencia.
  • Amplificadores de la instrumentación: En los circuitos de puentes o de dinamizaje de tensión, los rectificadores activos desmodulan las señales de sensores excitados por AC.
  • Medición de potencia: En ICs de medición de energía, los rectificadores activos multiplican tensión y ondas actuales antes de la integración.
  • Detección de pistas para las señales AM: Un rectificador de precisión seguido por un filtro de baja velocidad recupera el sobre de modulación en los receptores de radio.

Pitfalls comunes y solución de problemas

  • ]La salida no rectifica correctamente:] Compruebe la orientación del diodo y los voltajes de alimentación de op amp. Asegúrese de que el amplificador de op no se haya desprendido; algunos amplificadores de potencia baja tienen etapas de salida de ferrocarril a espiral que pueden no saturar correctamente en circuitos rectificadores de precisión.
  • Excesiva onda en frecuencias bajas: Aumentar el valor del condensador del filtro o utilizar un filtro de baja velocidad activo de segunda orden después del rectificador.
  • Ferción de cruce de ero: Agregue un pequeño voltaje negativo (a través de un divisor de resistencia) a la entrada no invertida para superar el offset de entrada. Alternativamente, utilice un amplificador de oper con V inferior]os].
  • ]Oscilación: La capacitancia parasitaria en la entrada de inversión puede causar inestabilidad. Agregue un pequeño condensador (10 pF) a través de la resistencia de retroalimentación para suprimir oscilaciones de alta frecuencia.

Conclusión

Diseñar un circuito rectificador activo con amplificadores operativos es una técnica poderosa para lograr la detección de señales AC de alta precisión. Al entender los principios operativos detrás de topologías de media onda y de onda completa, seleccionar componentes apropiados, y siguiendo prácticas de diseño y pruebas cuidadosas, los ingenieros pueden construir circuitos que superen los rectificadores pasivos de diodo en precisión, linealidad y rango dinámico.