Die Erfindung betrifft einen aktiven Gleichrichter, der in der modernen Elektronik besonders für Anwendungen, die die Detektion von Ultra-Niederspannungssignalen erfordern, wesentlich ist. Herkömmliche Diodengleichrichter versagen häufig bei sehr niedrigen Spannungen, weil die Dioden in der Regel um 0,6 bis 0,7 Volt bei Siliziumdioden und 0,2 bis 0,3 Volt bei Schottkydioden abfallen. Dieser Spannungsabfall wird zu einer erheblichen Barriere, wenn Signalamplituden in den Millivoltbereich fallen, wie man bei Energiegewinnungssystemen, biomedizinischen Sensoren und drahtlosen Kommunikations-Frontends sehen kann. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Ingenieure aktive Gleichrichter auf Basis von Operationsverstärkern entwickelt, die eine nahezu ideale Gleichrichtung erreichen, indem sie einen Transistor oder einen Analogschalter aktiv schalten, ohne dass ein Durchlassspannungsverlust auftritt.

Einführung in aktive Gleichrichter

Aktive Gleichrichter verwenden Operationsverstärker (op-Ampere), um das Verhalten von Dioden ohne den Spannungsabfall von Halbleiterübergängen zu emulieren. Dies ermöglicht eine präzise Gleichrichtung von Signalen mit Amplituden von nur wenigen Millivolt, wodurch sie ideal für empfindliche Messsysteme und Anwendungen mit geringer Leistung sind. Der Begriff "aktiv" bezieht sich auf die Verwendung von leistungsgesteuerten Komponenten - typischerweise ein Op-Amp und ein Schaltelement - zur aktiven Steuerung der Richtung des Stromflusses. Im Gegensatz zu passiven Diodengleichrichtern, die auf den inhärenten nichtlinearen Eigenschaften eines pn-Übergangs beruhen, können aktive Gleichrichter einen Wirkungsgrad von über 90% auch bei Eingangsspannungen unter 100 mV erreichen. Dies macht sie in der modernen Low-Power-Elektronik unverzichtbar, wo jedes Mikrovolt des Signals wichtig ist.

Die grundlegende Operation besteht darin, die Eingangsspannung mit einer Referenz (oft Masse) zu vergleichen. Wenn der Eingang die Referenz in der gewünschten Polarität überschreitet, treibt der OP-Amp ein Durchlasselement (MOSFET oder BJT) in die Leitung, so dass Strom zum Ausgang fließen kann. Wenn der Eingang die Polarität umkehrt, schaltet der OP-Amp das Durchlasselement aus und sperrt den Strom. Das Ergebnis ist ein Ausgang, der die positive (oder negative) Hälfte der Eingangswellenform mit vernachlässigbarem Spannungsabfall widerspiegelt. Dieses Konzept kann auf eine Vollwellengleichrichteranordnung erweitert werden, die oft mit zwei OP-Ampere oder einem einzigen OP-Amp plus einigen externen Dioden aufgebaut ist.

Design-Prinzipien von Op Amp-basierten aktiven Gleichrichtern

Die Kernkonstruktion dreht sich um die Steuerung eines Transistors oder Analogschalters mit dem Ausgang des Op-Ampere. Die einfachste Form ist ein Halbwellengleichrichter. In einer typischen nichtinvertierenden Konfiguration wird das Eingangssignal an den nichtinvertierenden Eingang des Op-Ampere angelegt. In einer typischen nichtinvertierenden Konfiguration wird das Eingangssignal an den nichtinvertierenden Eingang des Op-Ampere angelegt. In der Rückkopplungsschleife wird eine Diode platziert, und der Ausgang wird von der Verbindungsstelle der Diode und einem Widerstandsteiler übernommen. Wenn der Eingang positiv ist, treibt der Op-Ampere die Diode in Durchlass, und der Ausgang folgt dem Eingang abzüglich der Offsetspannung des Op-Amperes. Wenn der Eingang negativ ist, ist die Diode sperrbelastet und der Ausgang wird über einen Widerstand auf Masse gebracht. Diese Schaltung kann Signale bis auf den Mikrovoltpegel korrigieren, wenn ein Präzisions-Op-Ampere mit niedrigem Offset verwendet wird.

Für die Vollwellengleichrichtung ist eine ausgefeiltere Topologie erforderlich. Ein gängiger Ansatz verwendet zwei Operationsverstärker: der erste führt eine Halbwellengleichrichtung auf der positiven Halbwelle aus, während der zweite das Signal invertiert und summiert, um die negative Halbwelle wiederzugeben. Alternativ kann ein Präzisionsvollwellengleichrichter mit nur einem Operationsverstärker mit vier Dioden gebaut werden, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind, aber der Operationsverstärker eliminiert immer noch die Diodentropfen. Diese Schaltungen werden oft als "Präzisionsgleichrichter" bezeichnet, weil sie die genaue Form der Eingangswellenform beibehalten.

Ein weiteres wichtiges Konstruktionsprinzip ist die Wahl des Durchlasselements. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) werden für Ultra-Niederspannungsanwendungen bevorzugt, da sie keinen Durchlassspannungsabfall im herkömmlichen Sinne haben, sondern einen Einlasswiderstand (RDS(on) haben, der so niedrig wie einige Milliohm sein kann, was einen Spannungsabfall verursacht, der proportional zum Strom und nicht zu einem festen Schwellenwert ist. Bipolare Sperrschichttransistoren (BJTs) haben eine Sättigungsspannung von etwa 0,2 V, die niedriger als eine Diode ist, aber immer noch zu hoch für Millivolt-Pegelsignale ist. Daher verwenden die meisten modernen aktiven Gleichrichter für Ultra-Niederspannung N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFETs, oft in einer Common-Source- oder Common-Drain-Konfiguration.

Halbwellen-Aktivgleichrichterschaltungsanalyse

Zur Veranschaulichung sei ein einfacher Halbwellen-aktiver Gleichrichter mit einem einzigen Operationsverstärker und einem N-Kanal-MOSFET genannt. Der MOSFET-Drain ist mit dem Operationsverstärker-Ausgang verbunden, seine Quelle mit der Last, und sein Gate wird durch den Operationsverstärker über einen Widerstand angesteuert. Ein Rückkopplungswiderstand verbindet die Quelle mit dem invertierenden Eingang. Wenn der Eingang am nichtinvertierenden Pin positiv ist, geht der Operationsverstärker-Ausgang hoch und schaltet den MOSFET ein. Die Ausgangsspannung an der Quelle folgt dann der Eingangsspannung (abzüglich des sehr geringen Abfalls über den Einschaltwiderstand des MOSFET). Wenn der Eingang negativ wird, schwingt der Operationsverstärker-Ausgang niedrig, schaltet den MOSFET aus und die Last ist isoliert. Die Genauigkeit dieser Schaltung hängt stark von der Eingangs-Offsetspannung des Operationsverstärkers ab. Sogar einige mV Offset können ein Signal im Bereich von 10-50 mV verfälschen. Daher werden häufig chopperstabilisierte Operationsverstärker mit Offsetspannungen unter 1 μV verwendet.

Vollwellen-Aktive Gleichrichter Design

Ein Vollwellen-Aktivgleichrichter kann mit zwei Op-Ampere in einer nach seinem Erfinder auch als "Kitchin-Schaltung" bezeichneten Konfiguration realisiert werden. Der erste Op-Ampere bildet einen Präzisions-Halbwellengleichrichter und der zweite Op-Ampere wirkt als Summierverstärker. Der Ausgang ist der absolute Wert des Eingangs. Eine alternative und kompaktere Bauweise verwendet einen einzigen Op-Ampere mit vier Dioden und einem Widerstandsnetzwerk, wobei die Diodenabfälle jedoch durch die Rückkopplung des Op-Amperes kompensiert werden. Diese Schaltung wird auch als "Präzisions-Vollwellengleichrichter" bezeichnet und kann Frequenzen bis zu einigen hundert Kilohertz verarbeiten, die durch die Slew-Rate und das Gain-Bandbreiten-Produkt des Op-Amperes begrenzt sind.

Bei der Auslegung von Ultra-Niederspannungssignalen muss besonderes Augenmerk auf die Stromversorgung gelegt werden. Der Operationsverstärker selbst erfordert eine Versorgungsspannung, die höher ist als die Signalamplitude. Für Signale unter 100 mV ist ein Single-Supply-Op-Amp mit 1,8 V oder 3,3 V üblich. Allerdings sind Rail-to-Rail-Ein-/Ausgangs-Op-Ampere erforderlich, um sicherzustellen, dass der Eingangs-Gleichtaktbereich Masse umfasst und dass der Ausgang nahe an den Schienen schwingen kann. Viele moderne Operationsverstärker, wie die Texas Instruments OPA333 oder Analog Devices ADA4505, sind für den Niederspannungs-Einspeisebetrieb mit hervorragender Offset-Leistung ausgelegt.

Design-Herausforderungen und Lösungen

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Ultra-Niederspannungs-Aktivitätsgleichrichtern ist die Aufrechterhaltung von Genauigkeit und Stabilität bei sehr niedrigen Signalpegeln. Rauschen, Eingangsvorspannungen und Offsetspannungen können die Leistung erheblich beeinflussen. Lassen Sie uns diese Herausforderungen und ihre Minderung aufschlüsseln.

Eingangsversatzspannung

Op-Ampere haben eine kleine DC-Offsetspannung, die am Eingang erscheint, typischerweise von 1 μV bis 10 mV, je nach Typ. Bei Ultra-Niederspannungssignalen kann ein Offset von sogar 100 μV einen unannehmbaren Fehler verursachen. Beispielsweise führt ein 10-MV-Signal mit einem 1 mV-Offset zu einem 10%-Fehler. Lösungen umfassen die Verwendung von chopperstabilisierten (Auto-Null) Op-Ampere, die den Offset periodisch aufheben, wie der LTC1052 oder MAX4238, die Offsets unter 1 μV haben. Alternativ können externe Nullschaltkreise verwendet werden, die jedoch Komplexität hinzufügen.

Input Bias Strom

Bipolare op-Ampere erfordern einen kleinen Gleichstrom in die Eingänge, der durch Source-Widerstände fließt und Spannungsabfälle erzeugt. Für hochohmige Quellen kann dies zu einem erheblichen Fehler führen. CMOS op-Ampere haben viel geringere Vorspannungsströme (Picoamps) und werden daher für die Ultra-Niederspannungsdetektion bevorzugt. Die OPA320 von TI ist ein Beispiel für einen CMOS op-Ampere mit niedrigem Vorspannungsstrom und geringem Rauschen.

Lärm

Niederfrequentes (1/f) Rauschen und thermisches Rauschen können Millivolt-Signale verdunkeln. Chopper-stabilisierte OP-Ampere reduzieren auch 1/f Rauschen, indem sie es zu höheren Frequenzen verschieben, wo es gefiltert werden kann. Sorgfältiges Layout mit separatem analogem und digitalem Grund und die Verwendung von Schutzringen um empfindliche Knoten reduziert die Rauschaufnahme weiter.

Stabilität und Phasenmarge

Aktive Gleichrichter arbeiten häufig in einer Rückkopplungsschleife, die durch die Nichtlinearität des Schaltelements instabil werden kann. Die MOSFET-Gate-Kapazität und die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers erzeugen einen Pol, der zu Schwingungen führen kann. Um Stabilität zu gewährleisten, kann ein kleiner Widerstand (z. B. 10-100 Ω) in Reihe mit dem Ausgang des Operationsverstärkers gelegt werden, und es kann ein Kondensator vom Rückkopplungsknoten zur Masse hinzugefügt werden, der die Schleife kompensiert und hochfrequente Rufe eliminiert.

Abweisung der Stromversorgung

Da die Versorgungsspannung des OP-Ampere viel höher ist als das Signal, kann das Stromversorgungsrauschen in den Signalpfad einkoppeln. LDO-Regler mit hoher PSRR (Power Supply Rejection Ratio) sollten zur Versorgung des OP-Ampere verwendet werden. Zusätzlich sind Bypass-Kondensatoren (0.1 μF Keramik und 10 μF Elektrolyt) in der Nähe der Power-Pins des OP-Ampere unerlässlich.

Auswahl der Komponenten

Die Wahl der richtigen Komponenten ist entscheidend, um die gewünschte Leistung bei extrem niedrigen Spannungspegeln zu erreichen.

  • Betriebsverstärker: suchen Sie nach niedriger Offsetspannung (unterhalb von 50 μV), niedriger Bias-Strom (unter 10 pA) und hohe Verstärkungsbandbreite (mindestens 1 MHz für Signale bis zu 100 kHz). Empfohlene Teile: TI OPA333 (Chopper-stabilisiert, 10 μV-Offset), Analog Devices ADA4505) (Mikrofon-Amp-Stil, niedrige Leistung) und Maxim MAX4238) (ultra-low-Offset, 0,1 μV).
  • Transistoren: Verwenden Sie N-Kanal-MOSFETs im Erweiterungsmodus mit niedriger Schwellenspannung (VGS(th) < 1 V) and low on-resistance. The Infineon BSN20 (Vth ~0,7 V) oder den ON-Halbleiter NDS351AN sind gute Wahl.
  • Passive Komponenten Verwenden Sie Präzisionswiderstände mit 0,1% Toleranz und niedrigem Temperaturkoeffizienten (25 ppm/°C oder besser). Für Kondensatoren wählen Sie ]Leckage-Typen wie Film oder NP0/C0G-Keramik für Zeitgebung und Filterung. Elektrolytkondensatoren sollten im Signalweg aufgrund hoher Leckagen vermieden werden. Metallfilmwiderstände werden aus Gründen des Rauschens gegenüber Kohlenstofffilm bevorzugt.
  • Wenn Sie eine Diode im Rückkopplungspfad verwenden (z. B. zum Schutz oder zur Vorspannung), verwenden Sie Schottky-Dioden mit niedriger Durchlassspannung (z. B. BAT54), um den Restabfall zu minimieren, obwohl in einem aktiven Gleichrichter der Op-Amp dies kompensiert.

Anwendungen von Ultra-Low Voltage Aktivgleichrichtern

Diese Gleichrichter werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, in denen die Signalamplituden extrem klein sind und in denen die Energieeffizienz im Vordergrund steht.

Energiegewinnungssysteme

In der Schwingungsenergieernte erzeugen piezoelektrische Wandler Wechselspannungen von einigen Millivolt bis zu einigen hundert Millivolt. Ein aktiver Gleichrichter mit einem niedrigen Offset-Op-Amp kann diese Signale mit hohem Wirkungsgrad korrigieren und einen Speicherkondensator oder eine Batterie aufladen. In ähnlicher Weise erzeugen thermoelektrische Generatoren (TEGs) Gleichspannungen, die mit der Temperatur variieren; aktive Gleichrichter können verwendet werden, um sie zu erhöhen und zu regulieren, wenn der TEG-Ausgang AC-gekoppelt ist. Analog Devices 'Energy Harvesting Referenzdesigns oft aktive Gleichrichtung, um Startspannungen unter 20 mV zu erreichen.

Biomedizinische Instrumente

Elektrokardiogramm (EKG) und Elektroenzephalogramm (EEG) haben Amplituden im Bereich von 1-5 mV bzw. 10-100 μV. Eine genaue Gleichrichtung dieser Signale ist für die Merkmalsextraktion erforderlich, wie z. B. die R-Wellen-Detektion in EKGs. Aktive Gleichrichter bewahren die Wellenform, ohne winzige Merkmale zu verzerren. Implantierbare medizinische Geräte wie Schrittmacher und neuronale Stimulatoren verwenden auch eine aktive Gleichrichtung für die drahtlose Leistungsübertragung von einem externen Sender. Das empfangene Wechselstromsignal kann so niedrig wie einige hundert Millivolt sein, was Gleichrichter mit minimalem Ausfall erfordert. Beispiel: TIs EKG-Front-End-Lösungen verlassen sich auf Präzisions-Op-Ampere für die Signalkonditionierung.

Stromsparende Sensornetzwerke

Drahtlose Sensorknoten, die Energie aus Umgebungsquellen gewinnen, benötigen effiziente Gleichrichter, um Wechselstromquellen (wie HF oder mechanische Vibrationen) in Gleichstrom umzuwandeln. Aktive Gleichrichter verbessern die Empfindlichkeit der HF-Energiegewinnung, so dass Knoten in Entfernungen arbeiten können, die über das hinausgehen, was passive Gleichrichter erreichen können. Beispielsweise benötigt ein passiver Gleichrichter mindestens -20 dBm (10 μW) Eingangsleistung, während ein aktiver Gleichrichter mit -30 dBm oder weniger arbeiten kann, obwohl er selbst etwas Strom verbraucht. Der Nettogewinn ist für viele Anwendungen immer noch positiv.

RFID und NFC Systeme

Bei passiven RFID-Tags induziert das HF-Feld des Lesegeräts eine kleine Wechselspannung in der Tag-Antenne, die gleichgerichtet werden muss, um den Chip zu versorgen. Aktive Gleichrichter mit Ultra-Niederspannungs-Fähigkeit ermöglichen es Tags, mit größeren Leseabständen oder mit kleineren Antennen zu arbeiten. Die Herausforderung hierbei ist die Geschwindigkeit: RFID-Signale haben eine Frequenz von 13,56 MHz oder höher, was eine ausreichende Verstärkung der Bandbreite erfordert. Einige Konstruktionen verwenden diskrete Transistoren mit Op-Amp-Treibern, um sowohl Geschwindigkeit als auch niedrigen Abfall zu erreichen.

Simulation und Testen von aktiven Gleichrichtern

Vor dem Bau eines physischen Prototyps ist die Simulation unerlässlich, um das Verhalten der Schaltung bei extrem niedrigen Spannungspegeln zu überprüfen. Tools wie LTspice, PSpice oder Multisim ermöglichen es Entwicklern, Operationsverstärker mit realistischen Offsetspannungen, Biasströmen und Rauschen zu modellieren.

  • DC Sweep: Sweep die Eingangsspannung von -100 mV auf +100 mV, um die Übertragungsfunktion zu beobachten. Der Ausgang sollte für die eine Hälfte Null und für die andere linear sein.
  • Transientenanalyse: Wenden Sie einen sinusförmigen Eingang mit einer Amplitude von nur 10 mV bei einer Frequenz von 1 kHz bis 10 kHz an. Messen Sie die Ausgangswellenform, die Wellenwelligkeit und den durchschnittlichen DC-Wert. Überprüfen Sie auf Verzerrung am Nulldurchgang, was Schaltgeschwindigkeitsbeschränkungen anzeigt.
  • Rauschanalyse: Berechne die spektrale Gesamtrauschdichte, Integriere über die Bandbreite, um sicherzustellen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis akzeptabel ist (z. B. > 20 dB für ein 10-mV-Signal).
  • Power Analysis: Messen Sie den Stromverbrauch des Op-Amps und des Schaltelements, um zu überprüfen, ob der Wirkungsgrad des Gleichrichters seine Verwendung gegenüber einer passiven Lösung rechtfertigt.

Die Prüfung auf dem Prüfstand erfordert empfindliche Geräte: einen rauscharmen Signalgenerator, ein Präzisionsoszilloskop (12 Bit oder besser) und eine Gleichstromquelle auf Mikrovoltebene für die Offset-Kalibrierung. Verwenden Sie geschirmte Kabel und eine Masseebene, um externe Störungen zu minimieren. Die Stromversorgung des Operationsverstärkers sollte von einer Batterie oder einem rauscharmen Linearregler und nicht von einem Schaltnetzteil stammen, um eine Wellenkopplung zu vermeiden.

Fortgeschrittene Techniken und zukünftige Richtungen

Jüngste Fortschritte im aktiven Gleichrichterdesign umfassen die Verwendung von Schaltungen mit negativer Kapazität zur Kompensation parasitärer Kapazitäten und die Integration von Gleichrichtern in CMOS-Prozesstechnologie für energieautonome Systeme auf Chip. Eine weitere aufkommende Technik ist die Verwendung von aktiven Gleichrichtern mit geschaltetem Kondensator, die ohne Induktivitäten arbeiten und die Spannung während des Gleichrichtens erhöhen können. Für Signale mit einer Kapazität von unter 10 mV untersuchen Forscher die Verwendung parametrischer Verstärkung vor der Gleichrichtung, obwohl die Komplexität zunimmt.

Für Ingenieure, die praktische Schaltungen entwerfen, lohnt es sich, einen hybriden Ansatz in Betracht zu ziehen: Verwenden Sie einen passiven Gleichrichter, um eine kleine anfängliche Versorgung für den Operationsverstärker zu erzeugen, und aktivieren Sie dann den aktiven Gleichrichter für einen höheren Wirkungsgrad, sobald die Spannung einen Schwellenwert erreicht. Dieser "selbststartende" aktive Gleichrichter ist ein Thema aktiver Forschung in der Energy Harvesting-Community.

Schlussfolgerung

Durch sorgfältige Auswahl von Komponenten - insbesondere des Operationsverstärkers und des Schalttransistors - und durch die Bewältigung von Designherausforderungen wie Offsetspannung, Biasstrom, Rauschen und Stabilität können Ingenieure hochempfindliche Gleichrichtungsschaltungen entwickeln, die für fortschrittliche Anwendungen in der Energiegewinnung, biomedizinischen Geräten und Low-Power-Elektronik geeignet sind. Die kontinuierliche Verbesserung von Ultra-Low-Power-Präzisions-Op-Ampere und niedrigschwelligen MOSFETs stellt sicher, dass aktive Gleichrichter ein Eckpfeiler des modernen Niederspannungs-Analogdesigns bleiben. Mit der richtigen Simulation und Prüfung können diese Schaltungen eine nahezu ideale Leistung bis hin zu Signalpegeln erreichen, bei denen herkömmliche Gleichrichter vollständig ausfallen würden.