Двухполупериодный выпрямитель на одном транзисторе

Показанная здесь простая схема, содержащая всего один транзистор, выполняет двухполупериодное выпрямление сигнала (Рисунок 1). Это достигается за счет использования явления «инверсии усиления», которое возникает с момента, когда транзистор начинает работать в области насыщения. Схема найдет применение в качестве детектора уровня сигнала (детектор АРУ), выпрямителя или детектора наличия сигнала.

Рисунок 1.	Эта схема, основанная на свойстве насыщенного биполярного транзистора, известном как «инверсный режим», может выполнять двухполупериодное выпрямление сигнала, используя только один транзистор.

Чтобы понять работу этой схемы, сначала предположим, что транзистор смещен так, что находится в насыщении. Условия насыщения устанавливаются элементами R_B1 и R_B2. R_L и R_E выбираются, исходя из желаемого коэффициента усиления и/или смещения по постоянному току на выходе. В такой конфигурации схема представляет собой просто насыщенный усилитель с общим эмиттером.

Для последующего анализа используются компоненты с номиналами, указанными на схеме. Рассмотрим синусоидальный входной сигнал. При отрицательном входном напряжении V_IN выходное напряжение V_OUT положительно. Коэффициент усиления сигнала примерно равен

(нормальная работа каскада с общим эмиттером). Однако для положительного входного сигнала переход коллектор-база становится смещенным в прямом направлении (так как транзистор насыщен), и транзистор работает как эмиттерный повторитель. В этот момент коллектор работает как эмиттер при прямом смещении. Выражение для усиления принимает вид:

Коэффициенты усиления двухполупериодного выпрямителя для положительных и отрицательных сигналов должны быть одинаковыми по величине, но противоположными по знаку. Для усиления, равного 1, установите сопротивление R_X, равным бесконечности, тогда приведенные выше формулы упростятся до

Для получения положительного выпрямленного выходного напряжения используется n-p-n транзистор. Использование p-n-p транзистора (и, при необходимости, реверсирование подключений) даст отрицательное выпрямленное выходное напряжение. Чтобы выбрать номиналы компонентов, начните со следующего (величины емкостей конденсаторов связи C1 и C_X выбирайте настолько большими, насколько это необходимо для интересующего диапазона частот):

1. Обеспечьте насыщение: V_CC – I_C(R_L + R_E) < V_CESAT, где V_CESAT – напряжение насыщения коллектор-эмиттер, I_C – ток коллектора.
2. Выберите I_C.
3. Выберите значения R_L, R_E для желаемого коэффициента усиления.
4. В соответствии с вышеизложенным, выберите сопротивления делителя R_B1 и R_B2.

Расчет для усиления, равного единице (R_X = ∞), и I_C = 2 мА дает: R_B1 = 10 кОм, R_B2 = 13 кОм, R_L = R_E = 3 кОм. Можно получить усиления между 1 и 2, но для этого должно быть включено сопротивление R_X, как указано в более сложных расчетных формулах.

Рисунок 2.	При установке RX = ∞ получается двухполупериодный выпрямитель. Анализ в Spice предсказывает, что при RX = 3 кОм выпрямитель будет однополупериодным.

Начните с приведенных выше формул. Повторяйте итерации в Spice до получения оптимальных значений (Рисунок 2). Эту схему сложно смоделировать точно из-за присущей ей нелинейности. Поэтому наилучшие результаты даст анализ переходных процессов в среде Spice (Рисунок 3). Для точного предсказания поведения схемы в насыщении важно иметь хорошую модель транзистора. Кроме того, важно включить в Spice модель параметр BR (коэффициент передачи тока в инверсном режиме), поскольку работа схемы основана на инверсном режиме транзистора. Также с помощью Spice моделирования переходных процессов можно проверить эту схему на более высоких рабочих частотах.

Рисунок 3.	Осциллограммы сигналов подтверждают характеристики двухполупериодного выпрямителя (а) и предсказанные анализом в Spice характеристики однополупериодного выпрямителя (б).

Стоит принять во внимание пару замечаний:

1. Усиление ограничено минимальным значением 1. Масштабирование коэффициента усиления и добавление постоянного смещения можно выполнить на следующем этапе.
2. В качестве элемента подстройки «симметрии» используйте R_X. Это приблизит к +1 усиление выпрямителя для положительных входных сигналов. Выпрямитель можно сделать однополупериодным, выбрав значения номиналов, при которых выполняется равенство
   
   Это равенство точно компенсирует положительные и отрицательные коэффициенты усиления для отрицательных полупериодов, что приводит к однополупериодному выпрямлению (транзистор будет работать как эмиттерный повторитель только для положительных входных сигналов). Например, при R_X = 3 кОм получится однополупериодный выпрямитель.