作者：Moshe Gerstenhaber and Reem Malik

精密半波和全波整流器傳統(tǒng)上采用精心挑選的元件構(gòu)建，包括高速運(yùn)算放大器、快速二極管和精密電阻器。高元件數(shù)量使得該解決方案價(jià)格昂貴，并且存在元件之間的交越失真和溫度漂移變化。

本文介紹如何配置雙通道差動(dòng)放大器（無(wú)需外部元件），以提供精密絕對(duì)值輸出。與傳統(tǒng)方法相比，這種創(chuàng)新方法可以實(shí)現(xiàn)更好的精度、更低的成本和更低的功耗。

差動(dòng)放大器1包括一個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)配置為減法器的電阻，如圖1所示。低成本單芯片差動(dòng)放大器采用激光晶圓調(diào)整電阻，提供非常高的增益精度、低失調(diào)、低失調(diào)漂移、高共模抑制以及比分立式替代方案更好的整體性能。

圖1.差動(dòng)放大器。

傳統(tǒng)絕對(duì)值電路

圖2所示為常用全波整流電路的原理圖。為了實(shí)現(xiàn)高性能，該設(shè)計(jì)依賴(lài)于兩個(gè)快速運(yùn)算放大器和五個(gè)精密電阻。當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，A1的輸出為負(fù)，因此D1反向偏置。D2正向偏置，閉合圍繞A1至R2的反饋環(huán)路，形成反相放大器。A2將A1的輸出乘以?2的增益與輸入信號(hào)乘以?1的增益相加，得到+1的凈增益。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，D1正向偏置，閉合A1周?chē)姆答伃h(huán)路。D2 反向偏置且不導(dǎo)通。A2反轉(zhuǎn)輸入信號(hào)，產(chǎn)生正輸出。因此，A2的輸出是一個(gè)正電壓，代表輸入的絕對(duì)值，無(wú)論是正的還是負(fù)的。

圖 2.教科書(shū)全波整流器。2, 3

這種設(shè)計(jì)有幾個(gè)固有的性能和系統(tǒng)缺點(diǎn)，包括成本、交越失真、增益誤差和噪聲。該設(shè)計(jì)需要雙電源和許多高性能組件，進(jìn)一步增加了成本和復(fù)雜性。響應(yīng)時(shí)間可能很長(zhǎng)，因?yàn)锳1的輸出必須從–V擺動(dòng)是至 +V是當(dāng)輸入信號(hào)從 0 V + ΔV 交叉到 0 V – ?V 時(shí)。高速運(yùn)算放大器和二極管可以幫助緩解這一問(wèn)題，但代價(jià)是功耗增加。絕對(duì)值輸出的增益精度由R1、R2、R3、R4和R5的匹配決定。即使單個(gè)電阻失配少量，正絕對(duì)值和負(fù)絕對(duì)值峰值之間也會(huì)產(chǎn)生很大的誤差?？傇肼曉鲆鏋?，放大了運(yùn)算放大器噪聲、失調(diào)和漂移的影響。

改進(jìn)的絕對(duì)值電路

圖3所示為更簡(jiǎn)單、更有效的絕對(duì)值電路，僅需一個(gè)AD82774雙通道差動(dòng)放大器和單正電源。當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，A1充當(dāng)電壓跟隨器。A2的兩個(gè)輸入與輸入信號(hào)的電位相同，因此A2只是將正信號(hào)傳遞到輸出。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，A1的輸出為0 V，A2反相輸入信號(hào)?？傮w結(jié)果是輸入信號(hào)的絕對(duì)值。高達(dá) ±10 V 的信號(hào)可以在高達(dá) 10 kHz 的頻率下進(jìn)行整流。如果要整流的信號(hào)非常小，則每個(gè)運(yùn)算放大器輸出端的下拉電阻可以改善0 V左右的電路性能。

圖3.采用AD8277的單電源絕對(duì)值電路

該電路的功能雖然看似簡(jiǎn)單，但之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)锳D8277具有出色的輸入和輸出特性，并且能夠采用單電源供電。與大多數(shù)采用單電源供電的運(yùn)算放大器不同，差動(dòng)放大器的輸入可以驅(qū)動(dòng)到0 V以下。這允許A1的輸入接受負(fù)輸入信號(hào)，同時(shí)保持0 V輸出。輸入端集成ESD二極管可提供額外的魯棒過(guò)壓保護(hù)。圖4顯示了20 kHz時(shí)1 V p-p輸入信號(hào)的輸入和輸出波形及特性。

圖4.（a） 20 kHz 時(shí) 1V p-p 輸入信號(hào)的輸出和輸入。（b） 產(chǎn)出與投入特性。

這種改進(jìn)的絕對(duì)值電路克服了傳統(tǒng)整流器設(shè)計(jì)的許多限制，并提供了意想不到的價(jià)值。最引人注目的是所需組件的數(shù)量減少：只需要一個(gè)設(shè)備。消除外部二極管也消除了交越失真。激光晶圓調(diào)整電阻精確匹配，保證增益誤差小于0.02%。該電路的噪聲增益僅為2，從而降低了噪聲，并降低了失調(diào)和漂移。AD2采用36 V至8277 V單電源供電，靜態(tài)電流消耗不到400 μA。

結(jié)論

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，采用單個(gè)雙通道差動(dòng)放大器構(gòu)建的精密全波整流器具有多種優(yōu)勢(shì)。值得注意的是，無(wú)需高性能外部組件和雙電源，從而大大降低了成本并降低了復(fù)雜性。差動(dòng)放大器解決方案沒(méi)有交越恢復(fù)問(wèn)題，并針對(duì)寬溫度范圍內(nèi)的低漂移進(jìn)行了優(yōu)化。利用AD8277，可以使用單個(gè)IC以低功耗和低成本實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)值電路。

審核編輯：郭婷