Los rectificadores activos son componentes esenciales en electrónica moderna, especialmente para aplicaciones que requieren la detección de señales de ultra-bajo voltaje. Los rectificadores tradicionales basados en diodos a menudo fallan en voltajes muy bajos debido a la caída de voltaje de diodos, que normalmente es alrededor de 0,6 a 0,7 voltios para diodos de silicio y 0,3 voltios para diodos de alta tensión.

Introducción a los Rectificadores Activos

Los rectificadores activos utilizan amplificadores operativos (amplificadores) para emular el comportamiento de diodos sin la caída de tensión asociada con las uniones semiconductores. Esto permite una rectificación precisa de señales con amplitudes tan bajas como unos pocos milivolts, haciéndolos ideales para sistemas de medición sensibles y aplicaciones de baja potencia. El término "activo" se refiere al uso de componentes potenciados, y por lo tanto un interruptor de ont.

La operación fundamental implica comparar el voltaje de entrada a una referencia (a menudo tierra).Cuando la entrada supera la referencia en la polaridad deseada, el dispositivo impulsa un elemento de paso (MOSFET o BJT) en la conducción, permitiendo que la corriente fluya a la salida. Cuando la entrada revierte la polaridad, el op accionamiento de onda de paso apagado, el resultado es una salida que refleja la configuración de entrada positiva (o negativa)

Principios de diseño de los rectificadores activos basados en el Amp

El diseño del núcleo gira alrededor de controlar un interruptor transistor o análogo con la salida de la amplificación. La forma más simple es un rectificador de media onda. En una configuración típica no invertido, la señal de entrada se aplica a la entrada no invertida del amplificador de salida. Un diodo se coloca en el bucle de retroalimentación, y la salida se toma desde la unión del diodo y un divisor de resistencia.

Para la rectificación de onda completa, se requiere una topología más sofisticada. Un enfoque común utiliza dos amplificadores de operaciones: el primero realiza rectificación de media onda en el medio ciclo positivo, mientras que el segundo invierte y resume la señal para reproducir el medio ciclo negativo. Alternativamente, un rectificador de onda completa de precisión de una sola ola puede ser construido utilizando cuatro diodos dispuestos en una configuración de puente, pero el circuito de opersión eliminada.

Otro principio de diseño clave es la elección del elemento de paso. Los transistores de efecto de campo de metal-oxide-semiconductores (MOSFETs) son preferidos por aplicaciones de tensión ultra-bajo porque no tienen una caída de tensión avanzada en el sentido convencional; en lugar de ello, tienen un voltaje de alta resistencia (R]DS(on)).

Análisis de circuito de rectificador activo de media aguja

Para ilustrar, considere un simple rectificador activo de media onda con un solo sello de operación y un MOSFET de canal N. El drenaje de MOSFET está conectado a la salida de la lámpara de salida, su fuente a la carga, y su puerta es impulsada por el amplificador de salida a través de un resistor.

Diseño Rectificador Activo de Agua completa

Un rectificador activo de onda completa se puede realizar utilizando dos amplificadores de oper en una configuración a veces llamada el "circuito de Kitchin" después de su inventor. El primer amplificador de onda media precisión, y el segundo amplificador de onda completa actúa como un amplificador de reposición de suposición. La salida es el valor absoluto de la entrada.

Para señales de bajo voltaje, se debe prestar especial atención a la fuente de alimentación. La propia op requiere un voltaje de suministro superior a la amplitud de señal. Para señales inferiores a 100 mV, una sola op amp de sola solución que se ejecuta en 1.8 V o 3.3 V es común. Sin embargo, los opactos de entrada a tierra son necesarios para asegurar que la gama de flujo de entrada de fluidos de instrumentos incluye tierra y que la salida

Desafíos y soluciones de diseño

Uno de los desafíos más importantes en el diseño de rectificadores activos de ultra-bajo tensión es mantener la precisión y estabilidad a niveles de señal muy bajos. El ruido, las corrientes de sesgo de entrada y los voltajes offset pueden afectar significativamente el rendimiento.

Voltaje de entrada Offset

Los amplificadores de opción tienen un pequeño voltaje de compensación de DC que aparece en la entrada, normalmente desde 1 μV a 10 mV dependiendo del tipo. Para señales de ultra-bajo tensión, un offset de hasta 100 μV puede introducir un error inaceptable. Por ejemplo, una señal de 10 mV con un offset de 1 mV da lugar a un error de 10%.

Bias de entrada

Los amplificadores bipolares requieren una pequeña corriente de DC en las entradas, que fluye a través de las resistencias de origen y crea caídas de tensión. Para fuentes de alto impacto, esto puede crear un error significativo. Los amplificadores CMOS tienen corrientes de sesgo mucho más bajas (picoamps) y son por lo tanto preferidos para la detección de tensión ultra-bajo.

Noise

El ruido de baja frecuencia (1/f) y el ruido térmico pueden ocultar señales de nivel de milivolt. Los amplificadores de operaciones estabilizados por helicóptero también reducen el ruido 1/f, desplazando a frecuencias más altas donde se puede filtrar. El diseño cuidadoso con los terrenos analógicos y digitales separados, y el uso de anillos de guardia alrededor de nodos sensibles, reduce aún más la recolección de ondas.

Estabilidad y Margen de Fase

Los rectificadores activos a menudo operan en un bucle de retroalimentación que puede volverse inestable debido a la no linealidad del elemento de conmutación. La capacitancia de puerta MOSFET y la impedancia de salida de la op crear un polo que puede causar oscilación. Para asegurar la estabilidad, un pequeño anillo de resistencia (por ejemplo, 10-100 Ω) se puede colocar en serie con la salida de la op amp, y un cable de compensación puede ser

Rechazo de la fuente de alimentación

Dado que el voltaje de suministro de la op amp es mucho más alto que la señal, el ruido de la fuente de alimentación puede unirse en la vía de señal. Los reguladores de baja emisión (LDO) con alto PSRR ( ratio de rechazo de la fuente de energía) deben utilizarse para suministrar la amplificación de la op. Además, los condensadores de bypass (0.1 μF cerámica y 10 μF electrolítica) cerca de los pines de potencia de la op amp son esenciales.

Selección de componentes

Elegir los componentes adecuados es crítico para lograr el rendimiento deseado a niveles de tensión ultra-bajo. A continuación se muestra una guía detallada:

  • [LT:0]Amplificadores operativos: [FLT: 1] Busque tensión de compensación baja (bajo 50 μV), corriente de sesgo inferior (bajo 10 pA) y
  • Transistores: Usar MOSFETs de mejora de modo con baja tensión de umbral (V GS(th) < 1 V) and low on-resistance. The Infineon BSN20] (Vth ~0.7 V) o el voltaje ON Semiconductor NDS35 cuidadoso
  • Componentes pasivos: Usar resistores de precisión con 0.1% de tolerancia y coeficiente de baja temperatura (25 ppm/°C o mejor). Para los condensadores, elija tipos de fuga de baja como película de condensación o de filtrado de alta resistencia
  • Diodes:] Si se utiliza un diodo en la ruta de retroalimentación (por ejemplo, para protección o sesgo), utilice diodos Schottky con baja tensión de avance (por ejemplo, BAT54) para minimizar la caída residual, aunque en un rectificador activo la op amp compensa por ella. Sin embargo, para la operación de menor tensión absoluta, el diodo es reemplazado por un MOET por completo.

Aplicaciones de Rectificadores Activos de Voltaje Ultra-Low

Estos rectificadores se utilizan en varios campos donde las amplitudes de señal son extremadamente pequeñas y donde la eficiencia energética es primordial. A continuación se presentan ejemplos de aplicaciones ampliadas:

Sistemas de captación de energía

En la cosecha de energía vibratoria, los transductores piezoeléctricos generan voltajes AC de unos pocos milivolts a unos pocos cientos de milivolts. Un rectificador activo con un op de baja compensación puede rectificar estas señales con alta eficiencia, cargando un condensador de almacenamiento o batería. De manera similar, los generadores termoeléctricos (TEG) producen voltajes DC que varían con la temperatura; rectificadores activos de referencias activos

Instrumentación biomédica

Las señales de electrocardiograma (ECG) y electroencefalograma (EEG) tienen amplitudes en el rango de 1-5 mV y 10-100 μV respectivamente. Se necesita rectificación precisa de estas señales para la extracción de características, como detección de ondas R en ECGs. Los rectificadores activos conservan la forma de onda sin distorsionar pequeñas características.

Redes de sensores de baja potencia

Los nodos de sensores inalámbricos que cosechan energía de fuentes ambientales necesitan rectificadores eficientes para convertir fuentes de AC (como RF o vibración mecánica) en DC. Los rectificadores activos mejoran la sensibilidad de la recolección de energía RF, permitiendo que los nodos funcionen a distancias más allá de lo que pueden lograr los rectificadores pasivos. Por ejemplo, un rectificador pasivo requiere al menos -20 dBm (10 μW) potencia de consumo de energía, mientras que un dbeificador activo puede funcionar con 30

RFID y NFC Systems

En las etiquetas RFID pasivas, el campo RF del lector induce un pequeño voltaje AC en la antena de la etiqueta. Este voltaje debe ser rectificado para alimentar el chip. Rectificadores activos con capacidad de ultra-bajo tensión permiten a las etiquetas operar a mayores distancias de lectura o con antenas más pequeñas.El reto aquí es la velocidad: las señales RFID son de 13.56 MHz o más alta, que requieren amplificadores de op con suficiente.

Simulación y Prueba de Rectificadores Activos

Antes de construir un prototipo físico, la simulación es esencial para verificar el comportamiento del circuito a niveles de tensión ultra-bajo. Herramientas como LTspice, PSpice o Multisim permiten a los diseñadores modelar amplificadores de op con voltajes de compensación realistas, corrientes de sesgo y ruido.

  • DC Sudor:] Suministrar el voltaje de entrada de -100 mV a +100 mV para observar la función de transferencia. La salida debe ser cero para una mitad y lineal para la otra. Busque errores en el cruce cero debido a la compensación.
  • Análisis de transito:] Aplicar una entrada sinusoidal con amplitud tan baja como 10 mV a una frecuencia de 1 kHz a 10 kHz. Medir el valor de onda de salida, ondulada y promedio de DC. Compruebe la distorsión en el cruce cero, lo que indica las limitaciones de velocidad de conmutación.
  • Análisis de ruido: Calcular la densidad espectral de salida total. Integrar el ancho de banda para asegurar que la relación señal-al-ruido sea aceptable (por ejemplo, √° 20 dB para una señal de 10 mV).
  • Análisis de potencia: Medir el consumo actual del dispositivo y el elemento de conmutación para verificar que la eficiencia del rectificador justifica su uso en una solución pasiva.

El análisis en el banco requiere equipo sensible: un generador de señal de baja altura, un osciloscopio de precisión (12 bits o mejor), y una fuente de microvoltios para la calibración offset. Use cables blindados y un plano de tierra para minimizar la interferencia externa. La fuente de alimentación de la op amp debe provenir de una batería o un regulador lineal de baja altura, no una fuente de conmutación, para evitar el acoplamiento de maduración.

Técnicas avanzadas y futuras direcciones

Los avances recientes en el diseño de rectificador activo incluyen el uso de circuitos de capacitancia negativos para compensar la capacitancia parasitaria, y la integración de rectificadores en la tecnología de proceso CMOS para sistemas autonomosos de energía en chip. Otra técnica emergente es el uso de rectificadores activos de capacidad conmutada, que operan sin inductores y pueden aumentar el voltaje mientras se rectifica.

Para los ingenieros que diseñan circuitos prácticos, vale la pena considerar un enfoque híbrido: utilizar un rectificador pasivo para generar un pequeño suministro inicial para el amplificador de la operación, luego comprometer el rectificador activo para mayor eficiencia una vez que el voltaje alcanza un umbral. Este rectificador activo "acelerante" es un tema de investigación activa en la comunidad de recolección de energía.

Conclusión

Los rectificadores activos basados en la óptica proporcionan una solución confiable para la detección de señales de ultra-bajo voltaje, superando el límite fundamental de las gotas de voltaje hacia adelante de diodo. Al seleccionar cuidadosamente los componentes, especialmente el transistor de potencia de operación y conmutación, y abordar los desafíos de diseño como tensión offset, corriente de sesgo, ruido y estabilidad, los ingenieros pueden desarrollar circuitos de rectificación altamente sensibles adecuados para aplicaciones avanzadas de captación