Les redresseurs actifs sont des composants essentiels de l'électronique moderne, en particulier pour les applications nécessitant la détection de signaux à très basse tension. Les redresseurs traditionnels à diodes échouent souvent à très basse tension en raison de la chute de tension vers l'avant des diodes, qui est généralement d'environ 0,6 à 0,7 volts pour les diodes en silicium et de 0,2 à 0,3 volts pour les diodes Schottky. Cette chute de tension devient une barrière importante lorsque les amplitudes de signal s'enfoncent dans la gamme millivolt, comme le montrent les systèmes de collecte d'énergie, les capteurs biomédicaux et les fronts de communication sans fil.

Introduction aux correcteurs actifs

Les redresseurs actifs utilisent des amplificateurs opérationnels (op amps) pour imiter le comportement des diodes sans la chute de tension associée aux jonctions semi-conducteurs. Cela permet de corriger avec précision les signaux avec des amplitudes aussi basses que quelques millivolts, ce qui les rend idéales pour les systèmes de mesure sensibles et les applications de faible puissance. Le terme "actif" désigne l'utilisation de composants alimentés – typiquement un amplificateur op et un élément de commutation – pour contrôler activement la direction du courant.

L'opération fondamentale consiste à comparer la tension d'entrée à une référence (souvent sol). Lorsque l'entrée dépasse la référence dans la polarité souhaitée, l'ampli op conduit un élément de passe (MOSFET ou BJT) en conduction, permettant au courant de s'écouler vers la sortie. Lorsque l'entrée inverse la polarité, l'ampli op éteint l'élément de passe, bloquant le courant. Le résultat est une sortie qui reflète la moitié positive (ou négative) de la forme d'onde d'entrée avec une baisse de tension négligeable. Ce concept peut être étendu à la rectification en ondes complètes grâce à une configuration de correction de précision, souvent construite avec deux ampli op ou un amp op plus quelques diodes externes.

Principes de conception des correcteurs actifs à base d'opamp

La conception du noyau tourne autour de la commande d'un transistor ou d'un commutateur analogique avec la sortie op amp. La forme la plus simple est une rectificateur à demi-onde. Dans une configuration typique non inversée, le signal d'entrée est appliqué à l'entrée non inversée de l'amp. Une diode est placée dans la boucle de rétroaction, et la sortie est prise de la jonction de la diode et d'un diviseur de résistance. Lorsque l'entrée est positive, l'ampt op conduit la diode en conduction, et la sortie suit l'entrée moins la tension offset op amp. Lorsque l'entrée est négative, la diode est biaisée et la sortie est tirée au sol par une résistance. Ce circuit peut rectifier les signaux vers le bas au niveau microvolte si un op amp de précision avec un décalage bas est utilisé.

Pour la rectification en onde pleine, une topologie plus sophistiquée est nécessaire. Une approche commune utilise deux amplis op : la première effectue la rectification en demi-onde sur le demi-cycle positif, tandis que la seconde inverse et résume le signal pour reproduire le demi-cycle négatif. Ou bien, un rectificateur en onde pleine précision mono-op-amp peut être construit en utilisant quatre diodes disposées en configuration de pont, mais l'amplificateur op élimine encore les gouttes diode. Ces circuits sont souvent appelés « rectificateurs de précision » parce qu'ils préservent la forme exacte de la forme d'onde d'entrée.

Un autre principe clé de conception est le choix de l'élément de passe. Les transistors à effet de champ à semi-conducteurs d'oxydes métalliques (MOSFET) sont préférés pour les applications à très basse tension parce qu'ils n'ont pas de baisse de tension vers l'avant au sens conventionnel; ils ont plutôt une résistance à la résistance (RDS(on). Cette résistance peut être aussi faible que quelques milliohms, provoquant une chute de tension proportionnelle au courant plutôt qu'à un seuil fixe.

Analyse du circuit de redresseur actif à demi-vitesse

Pour illustrer, il est souvent fait appel à un simple rectificateur actif à demi-onde avec un seul ampli op et un MOSFET à canal N. Le drain MOSFET est connecté à la sortie de l'ampli op, sa source à la charge, et sa porte est entraînée par l'ampli op via une résistance. Une résistance de rétroaction relie la source à l'entrée de l'inversion. Lorsque l'entrée à la broche non inverse est positive, la sortie de l'ampli op devient élevée, en tournant sur le MOSFET. La tension de sortie à la source suit alors la tension d'entrée (moins la très petite chute sur la résistance de l'on-résistance du MOSFET). Lorsque l'entrée est négative, la sortie de l'ampli op oscille bas, ce qui fait que le MOSFET est éteint et la charge est isolée. La précision de ce circuit dépend fortement de la tension de décalage de l'ampli op.

Conception de redresseur actif à pleine capacité

Un rectificateur actif à ondes complètes peut être réalisé en utilisant deux amplis op dans une configuration parfois appelée " circuit de Kitchine " après son inventeur. Le premier ampli op forme un rectificateur à demi-onde de précision, et le second ampli op agit comme un amplificateur de somme. La sortie est la valeur absolue de l'entrée. Un design alternatif et plus compact utilise un ampli op unique avec quatre diodes et un réseau de résistance, mais les gouttes de diode sont compensées par les réactions de l'ampop. Ce circuit est également connu comme un "rédresseur à ondes complètes de précision" et peut gérer des fréquences jusqu'à quelques centaines de kilohertz, limité par le taux de glissement et le produit de gain-bande de l'ampop.

Pour les signaux à très basse tension, il faut accorder une attention particulière à l'alimentation. L'ampli op lui-même nécessite une tension d'alimentation supérieure à l'amplitude du signal. Pour les signaux de moins de 100 mV, un ampli op op à alimentation unique fonctionnant sur 1,8 V ou 3,3 V est courant. Cependant, les amplis op à entrée/sortie rail-rail sont nécessaires pour s'assurer que la gamme de modes communs d'entrée comprend le sol et que la sortie peut osciller à proximité des rails.

Défis et solutions de conception

L'un des défis les plus importants dans la conception des redresseurs actifs à très basse tension est de maintenir la précision et la stabilité à très bas niveaux de signal. Le bruit, les courants de biais d'entrée et les tensions offset peuvent affecter de façon significative les performances.

Tension de rupture d'entrée

Les amplis d'op ont une petite tension de décalage continu qui apparaît à l'entrée, généralement de 1 μV à 10 mV selon le type. Pour les signaux à très basse tension, un décalage de même 100 μV peut introduire une erreur inacceptable. Par exemple, un signal de 10 mV avec un décalage de 1 mV entraîne une erreur de 10%. Les solutions comprennent l'utilisation d'amplis d'op stabilisés par hélico (auto-zéro) qui annulent périodiquement le décalage, comme le LTC1052 ou le MAX4238, qui ont des décalages inférieurs à 1 μV.

Débit d'entrée actuel

Les amplis op bipolaires nécessitent un petit courant continu dans les entrées, qui se déverse dans les résistances de source et crée des baisses de tension. Pour les sources à haute impédance, cela peut créer une erreur importante. Les amplis op CMOS ont des courants de biais beaucoup plus faibles (picoamps) et sont donc préférés pour la détection de tension ultra-faible.

Bruit

Les amplis d'op stabilisés par le chopper réduisent également le bruit 1/f en le déplaçant vers des fréquences plus élevées où il peut être filtré. Une disposition soignée avec des motifs analogiques et numériques séparés, et l'utilisation de anneaux de protection autour de nœuds sensibles, réduisent encore davantage la prise de bruit. Le filtrage de sortie avec les réseaux RC peut nettoyer la forme d'onde rectifiée sans introduire de distorsion de phase.

Stabilité et marge de phase

Les redresseurs actifs fonctionnent souvent dans une boucle de rétroaction qui peut devenir instable en raison de la non-linéarité de l'élément de commutation. La capacité de la porte MOSFET et l'impédance de sortie de l'amplificateur d'op créent un pôle qui peut provoquer une oscillation. Pour assurer la stabilité, une petite résistance (par exemple, 10-100 ↓) peut être placée en série avec la sortie de l'amplificateur d'op, et un condensateur peut être ajouté du nœud de rétroaction au sol.

Rejet de l'alimentation électrique

Comme la tension d'alimentation de l'amplificateur est beaucoup plus élevée que le signal, le bruit d'alimentation peut se coupler dans le trajet du signal. Les régulateurs à faible écoulement (LDO) avec un haut taux de rejet de l'alimentation en PSRR (rapport de rejet de l'alimentation en opl) doivent être utilisés pour alimenter l'amplificateur.

Sélection des composants

Le choix des composants appropriés est essentiel pour obtenir les performances souhaitées à des niveaux de tension ultra-faible.

  • Amplifieurs opérationnels: Recherchez tension de décalage faible[ (moins de 50 μV), courant de biais faible[ (moins de 10 pA), et bande passante à haut gain[ (au moins 1 MHz pour les signaux jusqu'à 100 kHz).L'entrée/sortie rail-rail est obligatoire pour le fonctionnement d'une seule alimentation.
  • Transistors: Utilisez des MOSFET à faible tension de seuil en mode N (VGS(th) < 1 V) and low on-resistance. The Infineon BSN20 (Vth ~0,7 V) ou le NDS351AN à semiconducteur ON sont de bons choix. Pour une très basse tension (sous-100 mV), envisager d'utiliser un MOSFET à mode d'épuisement ou un JFET, mais ceux-ci nécessitent un biais prudent.
  • Composants passifs:[ Utiliser des résistances de précision[ avec une tolérance de 0,1 % et un coefficient de basse température (25 ppm/°C ou mieux). Pour les condensateurs, choisir des types de fuites faibles[ tels que film ou céramique NP0/C0G pour le timing et le filtrage.
  • Diodes: Si vous utilisez une diode dans le chemin de rétroaction (p. ex. pour la protection ou le biais), utilisez des diodes Schottky à basse tension vers l'avant (p. ex., BAT54) pour minimiser la chute résiduelle, bien que dans un redresseur actif l'amplificateur op compense. Cependant, pour le fonctionnement de tension absolue la plus basse, la diode est souvent remplacée entièrement par un MOSFET.

Applications des redresseurs actifs ultra-faible tension

Ces redresseurs sont utilisés dans divers domaines où les amplitudes de signal sont extrêmement faibles et où l'efficacité énergétique est primordiale.

Systèmes de récolte d'énergie

Dans la collecte d'énergie vibratoire, les transducteurs piézoélectriques génèrent des tensions CA de quelques millivolts à quelques centaines de millivolts. Un redresseur actif avec un ampli op offset bas peut corriger ces signaux avec un rendement élevé, chargeant un condensateur de stockage ou une batterie. De même, les générateurs thermoélectriques (TEGs) produisent des tensions DC qui varient avec la température; les redresseurs actifs peuvent être utilisés pour les booster et les réguler si la sortie TEG est couplée à l'AC. Analog Devices="energy recolking reference designs incorporent souvent une redression active pour obtenir des tensions de démarrage inférieures à 20 mV.

Instrumentation biomédicale

Les signaux électrocardiogrammes (ECG) et électroencéphalogrammes (EEG) ont des amplitudes de 1 à 5 mV et de 10 à 100 μV respectivement. Une rectification précise de ces signaux est nécessaire pour l'extraction des caractéristiques, comme la détection des ondes R dans les ECG. Les redresseurs actifs préservent la forme de l'onde sans déformer de minuscules caractéristiques. Les dispositifs médicaux implantables, tels que les stimulateurs cardiaques et les stimulateurs neuraux, utilisent également une rectification active pour le transfert de puissance sans fil à partir d'un émetteur externe. Le signal AC reçu peut être aussi bas que quelques centaines de millivolts, nécessitant des redresseurs avec un abandon minimal.

Réseaux de capteurs à faible puissance

Les capteurs sans fil qui récoltent de l'énergie à partir de sources ambiantes ont besoin de redresseurs efficaces pour convertir des sources d'AC (comme les vibrations RF ou mécaniques) en DC. Les redresseurs actifs améliorent la sensibilité de la récupération d'énergie RF, permettant aux nœuds de fonctionner à des distances supérieures à ce que les redresseurs passifs peuvent obtenir. Par exemple, un redresseur passif nécessite au moins -20 dBm (10 μW) puissance d'entrée, tandis qu'un redresseur actif peut fonctionner avec -30 dBm ou moins, bien que consommant une certaine puissance elle-même.

Systèmes RFID et NFC

Dans les étiquettes RFID passives, le champ RF de lecteur induit une petite tension AC dans l'antenne de l'étiquette. Cette tension doit être rectifiée pour alimenter la puce. Les redresseurs actifs avec une capacité ultra basse tension permettent aux étiquettes de fonctionner à plus de distance de lecture ou avec des antennes plus petites. Le défi ici est la vitesse: les signaux RFID sont à 13,56 MHz ou plus, nécessitant des amplis op avec un produit de gain-bande suffisante.

Simulation et essai des redresseurs actifs

Avant de construire un prototype physique, la simulation est essentielle pour vérifier le comportement du circuit à des niveaux de tension ultra-faible. Des outils comme LTspice, PSpice ou Multisim permettent aux concepteurs de modéliser des amplis d'op avec des tensions décalées réalistes, des courants de biais et du bruit.

  • DC Balayage: Balayez la tension d'entrée de -100 mV à +100 mV pour observer la fonction de transfert. La sortie doit être nulle pour la moitié et linéaire pour l'autre. Recherchez les erreurs au passage à niveau zéro en raison de la compensation.
  • Analyse transitoire:[ Appliquer une entrée sinusoïdale avec une amplitude aussi faible que 10 mV à une fréquence de 1 kHz à 10 kHz. Mesurer la forme d'onde de sortie, l'ondulation et la valeur moyenne en courant continu. Vérifier la distorsion au passage à niveau zéro, ce qui indique les limitations de vitesse de commutation.
  • Analyse du bruit :[ Calculer la densité totale du bruit de sortie. Intégrer la bande passante pour s'assurer que le rapport signal-bruit est acceptable (p. ex. > 20 dB pour un signal de 10 mV).
  • Analyse de puissance: Mesurer la consommation courante de l'amplificateur op et de l'élément de commutation pour vérifier que l'efficacité de la redresseur justifie son utilisation sur une solution passive.

Les essais sur le banc nécessitent un équipement sensible : un générateur de signal à faible bruit, un oscilloscope de précision (12 bits ou mieux) et une source de courant continu à microvolts pour l'étalonnage offset. Utilisez des câbles blindés et un plan de terre pour minimiser les interférences externes. L'alimentation de l'amplificateur devrait provenir d'une batterie ou d'un régulateur linéaire à faible bruit, et non d'un système de commutation, pour éviter les accouplements à ondulation.

Techniques avancées et orientations futures

Parmi les progrès récents dans la conception de la correction active, on peut citer l'utilisation de circuits de capacité négative pour compenser la capacité parasitaire et l'intégration de la correction dans la technologie de processus CMOS pour les systèmes autonomes d'énergie sur puce. Une autre technique émergente est l'utilisation de la correction active de condensateur commuté, qui fonctionne sans inducteurs et peut augmenter la tension tout en rectifiant.

Pour les ingénieurs qui conçoivent des circuits pratiques, il est utile d'envisager une approche hybride : utiliser un redresseur passif pour générer une petite alimentation initiale pour l'ampli op, puis engager le redresseur actif pour une efficacité plus élevée une fois la tension atteinte un seuil.

Conclusion

Les redresseurs actifs à ampli Op offrent une solution fiable pour la détection des signaux à très basse tension, en surmontant la limite fondamentale des baisses de tension vers l'avant de la diode. En sélectionnant soigneusement les composants, en particulier les transistors à ampli op et à commutation, et en répondant aux défis de conception tels que la tension offset, le courant de biais, le bruit et la stabilité, les ingénieurs peuvent développer des circuits de redressage très sensibles adaptés aux applications avancées dans la collecte d'énergie, les dispositifs biomédicaux et l'électronique de faible puissance.