1、OP AMP整流与截波电路單元二十二OP AMP整流與截波電路壹 實習內容實習22-1：OP AMP截波電路一. 相關原理OP Amp.( 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2
2、2-2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
3、，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( Hard Limitor )。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22-2 OPA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
4、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22-4 OPA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2
5、2-2中。R3、R4值改變時，對Vo波形有何影響？圖22-5 OPA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22-2 OPA橋式截波電路輸出波形實習22-2：OP AMP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，OP AMP輸出為正電壓，二極體導通，虛擬短路使OP AMP形成電壓隨耦器，Vout=
6、Vin。負半週時，Vin小於零，OP AMP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OP AMP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，OP AMP輸出為負電壓，故D2導通，則OP AMP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，OP AMP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OPA A2是非反相組
7、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，OPA A2輸出A為負電壓，D2截止，OPA A1因是反相組態，所以VI經R1輸入OP Amp A1，輸出B為正，使二極體D1導通，構成OP Amp A1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( Absolute Value Circ
8、uit )，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22-7 OA Amp之半波整流電路圖22-8 OP Amp半波整流電路波形圖22-9 OP Amp之全波整流電路圖22-10 OP Amp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22-11 OP Amp半波整流實驗電路工作二：全波整
9、流(1) 按圖22-12接妥線路。將輸入信號Vi調為1 kHz，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22-12 OP Amp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OP Amp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？
