Όταν αναφερόμαστε σε ανορθωτές, συνήθως εννοούμε τους κλασσικούς ανορθωτές με διόδους που υπάρχουν στα κυκλώματα ισχύος και που είναι απαραίτητοι για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου σε συνεχές. Εκτός όμως από τα κυκλώματα ισχύος, ανορθωτές υπάρχουν και σε άλλα κυκλώματα όπου απαιτείται μετατροπή από AC σε DC, όπως σε κυκλώματα επεξεργασίας σήματος και σε αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση φυσικών ποσοτήτων. Εκεί μάλιστα, απαιτείται υψηλή ευαισθησία και μεγάλη ακρίβεια που δεν μπορούν να επιτευχθούν με τους κλασσικούς ανορθωτές που χρησιμοποιούν αποκλειστικά διόδους. Οι ειδικές αυτές προδιαγραφές μπορούν να επιτευχθούν με ειδικά κυκλώματα ανορθωτών που ονομάζονται ανορθωτές ακριβείας.  

Ένας κλασικός ανορθωτής με διόδους δεν μπορεί να λειτουργήσει σε πολύ μικρές τάσεις λόγω της ενδογενούς τάσης κατωφλίου των διόδων. Για παράδειγμα, μία δίοδος πυριτίου δεν άγει σε τάσεις μικρότερες από περίπου 0.6V κατά την ορθή πόλωση. Ακόμη και οι δίοδοι γερμανίου που εμφανίζουν μικρότερη τάση κατωφλίου, δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε τάσεις μικρότερες από 0.3V περίπου. Υπάρχουν όμως πολλά κυκλώματα όπου απαιτείται ανόρθωση σε σήματα πολύ χαμηλής στάθμης, ακόμη και της τάξης των mV. Το πρόβλημα λύνεται με τη χρήση ανορθωτών ακριβείας.

Οι ανορθωτές ακριβείας είναι κυκλώματα που βασίζονται σε τελεστικούς ενισχυτές και κλασσικές διόδους. Επειδή ένας βασικός ανορθωτής ακριβείας συμπεριφέρεται ως ιδανική δίοδος (με μηδενική τάση κατωφλίου), πολλές φορές, οι ανορθωτές ακριβείας ονομάζονται και υπερ-δίοδοι (super diode). Υπάρχουν δύο βασικές μεθοδολογίες για την κατασκευή ανορθωτών ακριβείας. Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιεί πρώτα ενίσχυση του σήματος για να αποκτήσει αυτό ικανό πλάτος που να μπορεί να υπερνικήσει την τάση κατωφλίου των κλασικών διόδων που χρησιμοποιούνται σε δεύτερη βαθμίδα και η δεύτερη μέθοδος  υλοποιεί ενίσχυση κι ανόρθωση σε ένα και μόνο στάδιο. Η δεύτερη μέθοδος είναι συνήθως η προτιμότερη επιλογή.


Ανορθωτές ακριβείας μισού κύματος (ημιαναρθωτές)

Η κατασκευή ενός ανορθωτή σε ένα στάδιο απαιτεί την απομόνωση της θετικής από την αρνητική ημιπερίοδο του σήματος AC και την μετέπειτα ενίσχυση της μίας ημιπεριόδου σε μία επαρκή στάθμη για ανόρθωση. Η αρχή αυτή παρουσιάζεται στο κύκλωμα της εικόνας 1. Η υψηλή αντίσταση εισόδου, η επαρκής συχνοτική απόκριση, το μικρό σφάλμα τάσης και ο υψηλός ρυθμός ανόδου είναι μερικές από τις προδιαγραφές που θα πρέπει να έχει ο τελεστικός που θα επιλεχτεί να χρησιμοποιηθεί στο κύκλωμα για να επιτευχθεί σωστή λειτουργία.  

Απλός ανορθωτής ακριβείας μισού κύματος
Εικόνα 1. Απλός ανορθωτής ακριβείας μισού κύματος

 Αρχή λειτουργίας

Στον απλό ανορθωτή ακριβείας της εικόνας 1, κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου του σήματος εισόδου, ο τελεστικός πολώνει ορθά τη δίοδο D2 και στην έξοδο εμφανίζεται μηδενική τάση διότι το ένα άκρο της R2 είναι συνδεμένο στην εικονική γείωση (virtual ground) και συγχρόνως η R2  δεν διαρρέεται από ρεύμα. Σε αυτό το σημείο αξίζει να υπενθυμίσουμε ότι η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην αναστρέφουσα και τη μη αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού είναι πρακτικά ίση με μηδέν καθόσον ο τελεστικός δουλεύει ως γραμμικός ενισχυτής με πολύ μεγάλο κέρδος. Επομένως, αφού η μη αναστρέφουσα είναι γειωμένη, αυτομάτως το δυναμικό στην αναστρέφουσα θα είναι επίσης ίσο με αυτό της γείωσης (ίσο με το μηδέν), δηλαδή η αναστρέφουσα είσοδος καθίσταται εικονική γείωση (virtual ground). H D2 εξασφαλίζει ότι ο τελεστικός δε θα βρεθεί στον αρνητικό κόρο κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου του σήματος εισόδου, διότι παρέχει έναν δρόμο αρνητικής ανάδρασης που εξασφαλίζει μία πολύ μικρή απολαβή.

Κατά την αρνητική ημιπερίοδο του σήματος εισόδου, η D1 πολώνεται ορθά και κάποιο ρεύμα διαρρέει την R2. Το ρεύμα δημιουργεί μία πτώση τάσης πάνω στην R2 που έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση θετικής τάσης στην έξοδο (αντεστραμμένη τάση της εισόδου λόγω του αναστροφικού ενισχυτή). Επομένως, σήμα στην έξοδο εμφανίζεται μόνο κατά την αρνητική ημιπερίοδο του σήματος εισόδου κι αυτό ισοδυναμεί με ανόρθωση. Η ανόρθωση πραγματοποιείται στην πράξη από τη δίοδο D1 η οποία βρίσκεται στο βρόχο ανάδρασης και γι' αυτό δεν υφίσταται ο περιορισμός της τάσης κατωφλίου της διόδου. Στην πραγματικότητα, όταν το σήμα δεν έχει επαρκές πλάτος για να πολώσει ορθά τη D1, ο τελεστικός λειτουργεί στιγμιαία σε ανοικτό βρόχο και το αυξημένο κέρδος (ενίσχυση) αποκαθιστά το σήμα στην κατάλληλη στάθμη έως ότου να άγει η D1 και να αποκατασταθεί ο βρόχος ανάδρασης. Κατ΄αυτό τον τρόπο, λόγω της ενίσχυσης του τελεστικού, μπορούν να ανορθωθούν σήματα πολύ μικρού πλάτους που δεν θα μπορούσαν να ανορθωθούν από μία απλή δίοδο λόγω του περιορισμού της τάσης κατωφλίου.

Αν επιλεγεί να ισχύει R1=R2, τότε το κέρδος του αναστροφικού ενισχυτή γίνεται μοναδιαίο κατ' απόλυτη τιμή και το σήμα εξόδου που προκύπτει είναι ένα αντεστραμμένο ανορθωμένο αντίγραφο του σήματος εισόδου. Η τάση κατωφλίου του ανορθωτή ακριβείας είναι περίπου μηδέν και το κύκλωμα στο σύνολό του συμπεριφέρεται ως μία ιδανική δίοδος ανόρθωσης. Στην πραγματικότητα, η τάση κατωφλίου δεν είναι ακριβώς μηδέν αλλά μία πολύ μικρή τάση που είναι σχεδόν μηδενική και ισούται με το πηλίκο της τάσης κατωφλίου της D1 δια της απολαβής ανοικτού βρόχου του τελεστικού. 

Συνάρτηση μεταφοράς του ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος
Εικόνα 2. Η Συνάρτηση μεταφοράς του ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος

Στην εικόνα 2, φαίνεται η απόκριση του ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος της εικόνας 1. Λόγω της διόδου D2 αλλά και λόγω της πεπερασμένης απολαβής R2/R1, ο τελεστικός στο κύκλωμα της εικόνας 1 λειτουργεί πάντοτε γραμμικά και δεν εισέρχεται ποτέ στον κόρο κι αυτό είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Όμως τη στιγμή που το σήμα εισόδου διασχίζει την περιοχή του μηδενός, ο τελεστικός λειτουργεί στιγμιαία σε ανοικτό βρόχο κι επιτελεί ένα άλμα τάσης έως ότου προσεγγίσει τα 0.7V για να άγει η αντίστοιχη δίοδος και να να αποκατασταθεί η λειτουργία του κλειστού βρόχου. Επομένως, ο μέγιστος ρυθμός ανόδου (slew rate) του ενισχυτή περιορίζει τη συχνοτική απόκριση του ανορθωτή, ιδίως στα χαμηλής στάθμης σήματα. Ένας ακόμη περιορισμός του κυκλώματος έγκειται στο γεγονός ότι η αντίσταση εισόδου του κυκλώματος καθορίζεται από την R1. Η R1, για λόγους απολαβής αλλά και συχνοτικής απόκρισης, πρέπει γενικά να είναι περιορισμένης τιμής, επομένως το κύκλωμα της εικόνας 1 παρουσιάζει γενικώς περιορισμένη αντίσταση εισόδου.

Στο κύκλωμα της εικόνας 1, ο τελεστικός δουλεύει ως αναστροφικός ενισχυτής (αυτό φαίνεται άλλωστε κι από την απόκριση του κυκλώματος - εικόνα 2). Επομένως η έξοδος είναι αντεστραμμένη (διαφορά φάσης 180°) σε σχέση με την είσοδο. Ο κέρδος τάσης είναι ίσο με R2/R1, κατ΄απόλυτη τιμή, επομένως για μοναδιαίο κέρδος τάσης απαιτείται R1=R2. 

Τυπικές κυματομορφές εισόδου - εξόδου του ανορθωτή ακριβείας της εικόνας 1, παρουσιάζονται στην εικόνα 2b. Οι κυματομορφές είναι από πραγματικές δοκιμές στο  κύκλωμα της εικόνας 1, με χρήση του τελεστικού MCP661, δύο διόδων Schottky τύπου MBRM110LT3, R2=R1=1 ΚΩ, με φορτίο 1KΩ στην έξοδο. Η συχνότητα του σήματος εισόδου στο διάγραμμα είναι 500Hz.

Τυπικές κυματομορφές του απλού ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος
Εικόνα 2b. Τυπικές κυματομορφές του απλού ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος 

 

   Πολύ απλός ανορθωτής ακριβείας μισού κύματος

Σ' αυτό το σημείο αξίζει ν' αναφέρουμε ότι υπάρχει κι απλούστερη τοπολογία ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος, σε σχέση με την τοπολογία της εικόνας 1. Ο απλούστερος ανορθωτής ακριβείας μισού κύματος μπορεί να φτιαχτεί βάσει της τοπολογίας της εικόνας 3. Ωστόσο, ο απλούστατος αυτός ανορθωτής ακριβείας δεν χρησιμοποιείται στην πράξη διότι παρουσιάζει ένα βασικό μειονέκτημα. Κατά την αρνητική ημιπερίοδο του σήματος εισόδου, ο τελεστικός λειτουργεί σε ανοικτό βρόχο. Η δίοδος τότε δεν άγει και επομένως δεν υπάρχει βρόχος ανάδρασης. Δεδομένης της υψηλής απολαβής του τελεστικού σε ανοικτό βρόχο, η έξοδος φθάνει στον κόρο (μέγιστη τιμή). Όταν το σήμα εισόδου γίνει θετικό, ο τελεστικός θα πρέπει να εξέλθει του κόρου για να επανέλθει στη γραμμική περιοχή κι αυτό χρειάζεται χρόνο αλλά συγχρόνως παράγεται κι αναπήδηση (ringing). Ο απαιτούμενος χρόνος αποκατάστασης μειώνει  αρκετά τη συχνοτική απόκριση και το κύκλωμα δεν μπορεί να ανταποκριθεί σε γρήγορες μεταβολές του σήματος εισόδου γι αυτό είναι αρκετά πιο "αργό" σε σχέση με αυτό της εικόνας 1. 

Πολύ απλός ανορθωτής ακριβείας μισού κύματος
Εικόνα 3. Πολύ απλός ανορθωτής ακριβείας μισού κύματος

 

Ανορθωτές ακριβείας πλήρους κύματος

  Μετατροπή ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος σε πλήρους κύματος

Μπορούμε να μετατρέψουμε έναν ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος, σε πλήρους κύματος, χρησιμοποιώντας μία βαθμίδα αθροιστή με τελεστικό ενισχυτή. Απαιτείται άθροιση με διαφορετικούς συντελεστές στις εισόδους κι αυτό απαιτεί τον υπολογισμό των τιμών των αντιστάσεων του κυκλώματος με μεγάλη ακρίβεια. Ο κατάλληλος αθροιστής παρουσιάζεται στην εικόνα 4 και η τεχνική έχει ως εξής: Αθροίζουμε το σήμα εισόδου με το διπλάσιο του σήματος εξόδου ενός ανορθωτή ακριβείας μισού κύματος μοναδιαίας απολαβής (0db). 

Ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος βασισμένος σε αθροιστή

Εικόνα 4. Ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος βασισμένος σε αθροιστή

Αν στο κύκλωμα του αθροιστή της εικόνας 4, οι R1 και R2 (in Fig. 4) έχουν την ίδια τιμή και η R3 είναι το ήμισυ της R2, τότε το AC σήμα αθροίζεται με το διπλάσιο του σήματος της άλλης εισόδου (που προέρχεται από τον ανορθωτή ακριβείας). Το κύκλωμα της εικόνας 4, δέχεται ουσιαστικά στην είσοδό του τις κυματομορφές της εικόνας 2b. Αν αθροίζονταν με τον ίδιο συντελεστή, λόγω του ίδιου πλάτους, θα είχαμε μηδενισμό της αρνητικής ημιπεριόδου του σήματος. Αθροίζοντας όμως το ΑC σήμα με το διπλάσιο του ημιανορθωμένου, εξασφαλίζουμε ότι με την άθροιση θα προκύψει ένα πλήρως ανορθωμένο σήμα. 

 

Ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος δύο σταδίων

Βασιζόμενοι στην τεχνική του αθροιστή που περιγράψαμε παραπάνω, μπορούμε να συνδυάσουμε τα κυκλώματα των εικόνων 1 και 4. Έτσι καταλήγουμε στο κύκλωμα της εικόνας 4b. Το κύκλωμα της εικόνας 4b είναι ένας ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος δύο σταδίων. Το πρώτο στάδιο είναι ένας ανορθωτής ακριβείας μισού κύματος και το δεύτερο στάδιο είναι ένας αθροιστής με συντελεστές.

"Ανορθωτής
Εικόνα 4b. Ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος δύο σταδίων

Στο κύκλωμα της εικόνας 4b, θα πρέπει να υπολογιστούν κατάλληλα οι τιμές των αντιστάσεων έτσι ώστε να αθροίζουμε το σήμα εισόδου με το διπλάσιο του σήματος της εξόδου του ανορθωτή. Μπορούμε να επιλέξουμε διαφορετικές τιμές για τις αντιστάσεις, σε σχέση με αυτές του σχήματος 4, φροντίζοντας όμως να ισχύει ο βασικός κανόνας που διατυπώσαμε στην προηγούμενη φράση.  Δεδομένου ότι οι R1 και R2 καθορίζουν την απολαβή του πρώτου σταδίου και οι R3 και R5 το συντελεστή άθροισης για το σήμα του ανορθωτή, αρκεί να επιλέξουμε R1 =R3 =R4 and R2=R5 =2xR1. Η R6 έχει προστεθεί για τη μείωση του σφάλματος που μπορεί να προκληθεί από την ασυμετρία στο ρεύμα πόλωσης. Η κατάλληλη τιμή για την R6 θα πρέπει να είναι ίση περίπου με R4·R5/(R4+R5).

Για βέλτιστη απόδοση, οι αντιστάσεις R1 έως R5 θα πρέπει να παρουσιάζουν μικρή ανοχή, της τάξης του 1% ή καλύτερη. Ο ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος των δύο σταδίων μπορεί να ανορθώσει με ακρίβεια ακόμη και σήματα πολύ χαμηλής στάθμης, της τάξης των mV, σε χαμηλές συχνότητες αλλά στις υψηλές συχνότητες η ακρίβεια περιορίζεται από το εύρος ζώνης του τελεστικού ενισχυτή.

 

  Βασικός ανορθωτής ακριβείας  πλήρους κύματος

Η ανόρθωση ακριβείας πλήρους κύματος μπορεί να επιτευχθεί και με τη συνδεσμολογία της εικόνας 5. Στη βασική αυτή συνδεσμολογία, το σήμα εισόδου αντιστρέφεται και ανορθώνεται. Ένας ακόμη ανορθωτής ανορθώνει και το αρχικό σήμα εισόδου, προ της αναστροφής. Οι έξοδοι των δύο ανορθωτών συνδυάζονται στη συνέχεια για να παραχθεί το σήμα εξόδου. Η βασική ιδέα μαζί με τις κυματομορφές σε διάφορα σημεία της συνδεσμολογίας, παρουσιάζονται στην εικόνα 5

Βασικός ανορθωτής ακριβείας  πλήρους κύματος
Εικόνα 5. Βασικός ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος


Βάσει της αρχής που παρουσιάζεται στην εικόνα 5, μπορούμε να φτιάξουμε ένα πρακτικό κύκλωμα ανορθωτή ακριβείας πλήρους κύματος, συνδυάζοντας δύο ανορθωτές ακριβείας μισού κύματος. Το κύκλωμα που προκύπτει, καθώς κι η απόκριση του κυκλώματος, παρουσιάζονται στην εικόνα 6. Ο ένας ανορθωτής είναι αναστροφικός, ενώ ο άλλος όχι, όπως περιγράψαμε παραπάνω. 

 

Precision full-wave rectifier
Εικόνα 6. Πρακτικό κύκλωμα ανορθωτή ακριβείας πλήρους κύματος και η απόκριση του

Ας αναλύσουμε τώρα, τη λειτουργία του κυκλώματος της εικόνας 6:

Όταν το σήμα στην είσοδο Α είναι θετικό (στη θετική ημιπερίοδο), η έξοδος του τελεστικού A2 θα είναι θετική επίσης και η δίοδος D2 θα άγει με αποτέλεσμα να υπάρχει κλειστός βρόχος ανάδρασης στον τελεστικό Α2. Αυτό ισοδυναμεί με εικονικό βραχυκύκλωμα μεταξύ των δύο εισόδων του τελεστικού Α2 και επομένως η έξοδος Β θα ακολουθεί το σήμα εισόδου κατά τη θετική του ημιπερίοδο. Τη ίδια στιγμή, δεδομένου ότι δεν υπάρχει διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα σημεία Α και Β, δεν περνά ρεύμα διαμέσου των R1 R2. Αυτό αναγκάζει τον τελεστικό Α1, να λειτουργήσει σε ανοικτό βρόχο και να φθάσει στον κόρο. Η έξοδος του Α1 μεταβαίνει στον αρνητικό κόρο, δεδομένου ότι ο Α1 είναι συνδεσμολογημένος ως αναστροφικός ενισχυτής (το σήμα εισόδου εφαρμόζεται στην αναστρέφουσα)  και η δίοδος D1 βρίσκεται σε αποκοπή.

Κατά την αρνητική ημιπερίοδο του σήματος εισόδου, η D2 δεν άγει κι ο τελεστικός Α2 μεταβαίνει στον αρνητικό κόρο. Απεναντίας, η D1 άγει και κλείνει ο βρόχος ανάδρασης του Α1. Ο Α1 λειτουργεί στη γραμμική περιοχή ως αναστροφικός ενισχυτής και η έξοδος που παρέχει στο φορτίο είναι ένα αντεστραμμένο αντίγραφο της εισόδου. Επιλέγοντας κατάλληλα οι R1 και R2 να έχουν την ίδια τιμή, η ενίσχυση του Α1 γίνεται 1 κατ' απόλυτη τιμή, ίση δηλαδή με αυτή του Α2 και το συνολικό κύκλωμα δουλεύει ως κύκλωμα απόλυτης τιμής στο συνεχές ή ως ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος στο AC.

Το κύκλωμα της εικόνας 6 είναι στην πραγματικότητα ένα κύκλωμα απόλυτης τιμής, ανάμεσα σε πολλά άλλα παρόμοια κυκλώματα απόλυτης τιμής που μπορείτε να βρείτε στη βιβλιογραφία.

 
Ανοσθωτής ακριβείας πλήρους κύματος συνδεσμολογίας γέφυρας

Ένας ανορθωτής ακριβείας πλήρους κύματος μπορεί να φτιαχτεί επίσης χρησιμοποιώντας μία γέφυρα με διόδους στο βρόχο ανάδρασης ενός τελεστικού. Μία υλοποίηση αυτής της ιδέας παρουσιάζεται στην εικόνα 7. Το κύκλωμα της εικόνας 7 διαθέτει συμμετρική έξοδο (balanced) και επίσης η αντίσταση εισόδου του είναι υψηλή. Γι αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε εφαρμογές οργάνων μέτρησης. 

Το κύκλωμα αυτό είναι ουσιαστικά ένα κύκλωμα απόλυτης τιμής. Το ρεύμα στο φορτίο είναι ίσο με |ui|/R+RL,  όπου |ui|, η απόλυτη τιμή του σήματος εισόδου ui. Οι τάσεις κατωφλίου των διόδων δεν επιδρούν στην ανόρθωση, διότι ακυρώνονται από την απολαβή του τελεστικού, όπως άλλωστε συμβαίνει και σε όλα τα κυκλώματα που αναλύσαμε παραπάνω.

Κατά τη θετική ημιπερίοδο του σήματος, το ρεύμα ρέει προς το φορτίο Rμέσω των D1, D3 και R, ενώ κατά την αρνητική ημιπερίοδο το ρεύμα ρέει προς τον τελεστικό διαμέσου των R, D2, RL, και D4. Έτσι, ο βρόχος ανάδρασης παραμένει κλειστός σε ολόκληρο τον κύκλο του σήματος εισόδου (και στις δύο πολικότητες). Η απολαβή εξαρτάται από το λόγο RL /R κι η ομοιομορφία των διόδων εξασφαλίζει ομοιόμορφη απολαβή και στις δύο πολικότητες. 

Ανοσθωτής ακριβείας συνδεσμολογίας γέφυρας
Εικόνα 7. Ανορθωτής ακριβείας συνδεσμολογίας γέφυρας