Introduction aux circuits de redresseur actif avec amplificateurs opérationnels

La conception d'un circuit de rectification active est essentielle pour détecter avec précision les signaux AC dans une large gamme de systèmes électroniques, du traitement audio à l'instrumentation de précision. Les redresseurs passifs traditionnels souffrent de baisses de tension non linéaires et de linéarité limitée, ce qui les rend impropres aux signaux de bas niveau ou aux applications de haute précision. En intégrant des amplificateurs opérationnels (op amps), les ingénieurs peuvent créer des redresseurs actifs de précision qui surmontent ces inconvénients.

Principes fondamentaux de la détection et de la rectification des signaux AC

La méthode la plus courante est la rectification, qui préserve l'amplitude et la forme du signal tout en éliminant le demi-cycle négatif. Les rectificateurs passifs utilisant des diodes discrètes introduisent une chute de tension vers l'avant (généralement 0,6–0,7 V pour les diodes en silicium) qui fausse les signaux de faible amplitude et dégrade la précision. De plus, les diodes présentent une résistance non linéaire, causant une distorsion harmonique et une faible linéarité dans la gamme de signaux.

Pour remédier à ces limitations, les ingénieurs emploient des redresseurs actifs qui utilisent des amplis op dans des boucles de rétroaction pour éliminer virtuellement les chutes de tension de diode. En contrôlant la conduction de diode par le gain élevé de l'ampli op, le circuit obtient une redression quasi-idéale avec une linéarité minimale et une excellente compensation.

  • Détection et mesure du niveau audio
  • Conversion RMS-en-DC
  • Mesure de la puissance en compteurs d'énergie
  • Conditionnement du signal du capteur
  • Systèmes d'acquisition de données

Comment fonctionne un redresseur actif : Op Amp en mode précision

Le concept de base derrière un rectificateur actif est de placer une diode dans la boucle de rétroaction d'un ampli op. Dans une configuration standard, l'amplificateur op augmente la tension de gain de boucle ouverte, ce qui force la différence entre ses entrées inverses et non inversées à presque zéro (short virtuel). Lorsque le signal d'entrée est positif, la sortie de l'amplificateur op oscille suffisamment positivement pour biaiser la diode vers l'avant, permettant au courant de s'écouler dans le chemin de rétroaction. La résistance de rétroaction convertit le courant en une tension, produisant une sortie qui suit le demi-cycle positif de l'entrée. Pour les oscillations négatives, la sortie de l'amplificateur op va négativement, en faisant une partialité inverse de la diode et en bloquant le courant, de sorte que la sortie reste à zéro. Cet arrangement élimine efficacement la chute de tension de la diode parce que l'amplificateur op compense pour elle intérieurement — la tension de sortie est la somme de la chute de la diode et la tension requise pour maintenir le court virtuel.

Le même principe peut être étendu à la rectification en mode plein ondes en utilisant deux amplis op ou un ampli op avec un réseau de diodes de précision. Le résultat est un redresseur avec un décalage extrêmement faible (limité uniquement par la tension de décalage op amps) et une linéarité élevée jusqu'aux niveaux microvolts.

Types de circuits de redresseur actif

Récepteur à demi-venture de précision

Le rectificateur le plus simple est la configuration de demi-onde, également connue sous le nom de circuit superdiode. Il utilise un ampli op, une diode et quelques résistances. La sortie est égale à l'entrée pendant le demi-cycle positif et zéro pendant le demi-cycle négatif (ou vice versa avec polarité de diode inversée). Cette topologie convient pour des applications où une seule polarité est nécessaire, comme les détecteurs de pic ou les détecteurs de zéro-croisement. Liens externes: TI Rapport d'application: Rectificateurs de précision

Récepteur à grande vitesse de précision

Les redresseurs actifs à ondes complètes produisent une sortie qui est la valeur absolue du signal d'entrée. Deux implémentations communes existent:

  • Configuration de deux-op-amp : Le premier ampli op effectue la rectification de demi-onde; le second ampli op résume la sortie avec le signal original pour créer la valeur absolue complète.
  • La configuration mono-op-amp avec une combinaison inverse/non-inverture:[ Un seul ampli op plus quatre diodes de précision peut réaliser un circuit de valeur absolue, bien qu'il nécessite des résistances assorties pour un summing précis.

La topologie en onde pleine est essentielle pour une mesure précise du RMS, une compression au niveau audio et une détection d'enveloppe. [Fixe de l'analogue Article technique : Conception du redresseur en onde pleine

Sélection des composants et conception des circuits

Sélection de l'amplificateur opérationnel

Choisir l'ampli op de droite est essentiel pour la performance active de la redresseur.

  • La tension de décalage d'entrée (Vos):[ La basse compensation minimise l'erreur à de faibles niveaux de signal. Pour la détection de niveau microvolt, choisissez des amplis op avec Vos sous 100 μV, comme l'OPA2188 ou AD8628.
  • Produit de la largeur de bande de la bande de gaine (GBW):[ L'amplificateur d'op doit avoir une bande passante suffisante pour traiter la composante de fréquence la plus élevée du signal CA sans changement de phase significatif.
  • Taux de chute: Un taux de chute élevé permet de suivre des transitions rapides sans distorsion, surtout pour les ondes carrées ou les ondes sinusoïdales à haute fréquence.
  • Entrée et sortie sur rail:[ Utile pour le fonctionnement d'une seule alimentation et maximisant la portée dynamique.

Sélection de la diode

Pour une chute encore plus faible, utilisez transistors reliés à la diode de précision dans le chemin de rétroaction, comme le montre certains ICs de rectification spécifiques à l'application. Le temps de récupération inverse de la diode doit être plus court que le temps de dépose de l'ampli pour éviter les glissades.

Valeurs du resistor et du condensateur

La résistance de retour (Rf) et la résistance d'entrée (R dans[) fixent le gain pendant le demi-cycle de conduite : Gain = –Rf/Rin pour les configurations de retournement, ou +1 pour les tampons de gain d'unité non inversés. Les valeurs typiques varient de 1 kγ à 100 k. Un condensateur placé en parallèle avec la résistance de retour (Cff) forme un filtre passe-bas qui lisse la sortie rectifiée; la fréquence de coupure est 1/(2πR]f]]C]f. Pour les applications audio, choisissez Cf de telle que la fréquence d'angle d'angle est

Conception et mise en oeuvre étape par étape

Conception d'un rectificateur à demi-venture de précision

Considérez le circuit suivant pour un redresseur actif à demi-onde non inversé:

  1. Connectez l'entrée: Appliquer le signal CA à l'entrée non inversée de l'amplificateur op (p. ex. OPA2188).
  2. Réseau de retour:[ Connectez l'entrée de retournement directement à la sortie de l'ampli op via une résistance de retour de 10 k. (Rf.
  3. Position de la diode:[ Insérez une diode scotky (p. ex., 1N5817) entre la sortie de l'amplificateur et le noeud de rétroaction, avec l'anode vers la sortie pour la rectification positive de la demi-onde.
  4. Résistance et filtrage des sorties:[ Connectez une résistance de charge de 10 k. à partir du noeud de retour au sol. Placez un condensateur de 1 μF en parallèle avec Rf pour filtrer la sortie (découpage -16 Hz).
  5. Alimentation électrique:[ Alimentation de l'ampli op de ±5 V à ±15 V (alimentation double) ou de +5 V à +15 V avec un sol virtuel (alimentation unique).

Testez le circuit avec une onde sinusoïdale de 1 kHz, 1 Vpp. La sortie doit montrer le demi-cycle positif avec une tension de pointe très proche de 0,5 V (la moitié de l'entrée de pointe à la pointe) et un zéro plat pendant le demi-cycle négatif.

Construire un redresseur à grande vitesse en utilisant deux amplis d'op

Un redresseur actif à ondes pleines robuste peut être construit avec deux amplis op comme suit:

  1. Première étape (demi-onde):[ Configurer U1 comme un rectificateur à demi-onde de précision comme ci-dessus. La sortie (V1) est le demi-cycle positif de l'entrée.
  2. Deuxième étape (en inversant l'été): Configurer U2 comme un amplificateur de somme en inversion avec deux entrées: le signal d'entrée original par résistance R1, et la sortie de U1 par résistance R2. Choisir R1 = R2 = Rsum[, et régler la résistance de rétroaction R[f2sum[sum[sum[sumsumsumsum[[sum[sum[sumsumsumsum[FLT:]sum[FLT:]sum[F=[F=F]s =[

Avec une résistance de précision (tolérance de 1 % ou mieux), cette topologie offre une excellente symétrie et une faible ondulation.

Considérations de conception avancées

Limites de vitesse de la largeur de bande et du museau

À haute fréquence, la bande passante limitée de l'ampli op introduit un décalage de phase, ce qui peut faire de la redresseur actif un amplificateur linéaire pour les deux demi-cycles, réduisant ainsi l'efficacité de la redressage. Utilisez des amplis op avec GBW > 10 fois la fréquence maximale du signal.

Tension de rupture et drift d'entrée

Par exemple, un Vos[ de 1 mV fera en sorte que la sortie reste à 1 mV au lieu de 0 pendant le demi-cycle de blocage. Utilisez des amplis d'op stabilisés par l'hélico ou l'auto-zéro (p. ex. LTC2057, MAX4238) pour réduire les niveaux de sous-microvolts.

Considérations relatives au bruit

Des configurations de rétroaction à haut rendement amplifient le bruit d'ampli op. Placez un petit condensateur (10–100 pF) sur la résistance de rétroaction pour limiter la bande passante au-dessus de la plage de signal.

Opération à fournisseur unique

Pour les systèmes alimentés par batterie ou à alimentation unique, biaiser le signal d'entrée vers le milieu de l'alimentation (p. ex. V[CC[/2) en utilisant un diviseur résistif et un tampon. La rectification active fonctionne alors avec un sol virtuel, et la sortie est référencée à la même tension de biais.

Simulation et essais

Avant de construire le circuit, simulez-le en utilisant des outils basés sur SPICE (LTSpice, TINA-TI) pour vérifier les performances.

  • Appliquer une onde sinusoïdale à diverses amplitudes (10 mV à 10 V) et fréquences (100 Hz à 100 kHz).
  • Plot d'entrée et de sortie de formes d'onde; vérifier la linéarité, les erreurs de décalage et les ondulations.
  • Effectuer des balayages paramétriques sur les valeurs de résistance et les modèles de diodes pour optimiser le filtrage et la précision.

Pour les essais matériels, utilisez un oscilloscope avec une sonde à haute impédance. Mesurez le niveau de sortie en courant continu avec un multimètre et comparez avec la valeur moyenne théorique du signal rectifié. Lien externe: NI Guide de simulation SPICE

Applications pratiques des circuits de redresseur actif

Les correcteurs actifs sont utilisés dans:

  • Audio livemeters: Convertit les signaux audio AC en une tension continue proportionnelle à l'amplitude pour les VU ou les graphes à barres LED.
  • Combiné à un filtre passe-bas, le redresseur à ondes pleines forme le noyau d'un détecteur RMS, largement utilisé dans les multimètres et les analyseurs de qualité de puissance.
  • Amplifieurs d'instrumentation:[ Dans les circuits de pont ou de jauge de déformation, les redresseurs actifs démodulent les signaux de capteur excités par l'AC.
  • Mesure de puissance:[ Dans les IC de mesure d'énergie, les rectificateurs actifs multiplient la tension et les formes d'onde de courant avant l'intégration.
  • Détection d'enveloppe pour les signaux AM:[ Un redresseur de précision suivi d'un filtre passe-bas récupère l'enveloppe de modulation dans les récepteurs radio.

Pièges et dépannage courants

  • Sortie ne rectifiant pas correctement: Vérifiez l'orientation de la diode et les tensions d'alimentation en ampli op. Assurez-vous que l'ampli op n'est pas verrouillé — certains ampli op de faible puissance ont des stades de sortie rail-rail qui peuvent ne pas saturer correctement les circuits de rectification de précision.
  • Excessive ondulation à basses fréquences: Augmenter la valeur du condensateur de filtre ou utiliser un filtre actif de deuxième ordre après le redresseur.
  • Distorsion de la distance de croisement:[ Ajouter une petite tension de biais négatif (via un diviseur de résistance) à l'entrée non inversée pour surmonter le décalage d'entrée.
  • Oscillation: La capacité parasitaire à l'entrée de l'inversion peut causer une instabilité. Ajouter un petit condensateur (10 pF) à travers la résistance de rétroaction pour supprimer les oscillations à haute fréquence.

Conclusion

La conception d'un circuit de redresseur actif avec amplificateurs opérationnels est une technique puissante pour atteindre la détection de signaux AC de haute précision. En comprenant les principes de fonctionnement derrière les topologies de précision à demi-onde et à ondes complètes, en sélectionnant les composants appropriés et en suivant des méthodes de conception et d'essai prudentes, les ingénieurs peuvent construire des circuits qui surperforment les redresseurs passifs de diode dans la précision, la linéarité et la portée dynamique.