I rettificatori attivi sono componenti essenziali nell'elettronica moderna, soprattutto per applicazioni che richiedono il rilevamento di segnali di tensione ultra-bassa. I tradizionali rettificatori basati su diodi spesso falliscono a tensioni molto basse a causa della caduta di tensione in avanti di diodi, che è tipicamente intorno a 0,6 a 0,7 volt per i diodi di silicio e 0,2 a 0,3 volt per i diodi Schottky.

Introduzione ai Rectifier attivi

I retifier attivi utilizzano amplificatori operativi (op amps) per emulare il comportamento dei diodi senza la caduta di tensione associata a giunzioni semiconduttori. Questo permette una rettifica precisa dei segnali con ampiezza a basso contenuto di millivolt, rendendoli ideali per sistemi di misura sensibili e applicazioni a bassa potenza.

L'operazione fondamentale consiste nel confrontare la tensione di ingresso a un riferimento (spesso terra). Quando l'ingresso supera il riferimento nella polarità desiderata, l'op amp spinge un elemento passa (MOSFET o BJT) in conduzione, permettendo alla corrente di fluire all'output. Quando l'ingresso inverte polarità, l'op amp si spegne l'elemento passa, bloccando la corrente. Il risultato è un'uscita che rispecchia la metà positiva dell'onda di ingressività completa trascurabile

Principi di progettazione dei revisori attivi basati su amplificatore Op

Il core design ruota intorno al controllo di un transistor o di un interruttore analogico con l'uscita dell'amplificatore. La forma più semplice è un rettificatore a mezza onda. In una configurazione tipica non invertente, il segnale di ingresso viene applicato all'ingresso non invertente dell'amplificatore opattivato.

Per la rettifica a onda piena è necessaria una topologia più sofisticata: un approccio comune utilizza due amplificatori op: il primo esegue la rettifica a mezza ondata sul mezzo ciclo positivo, mentre il secondo invertisce e somma il segnale per riprodurre il mezzo ciclo negativo. In alternativa, un retifier a onda singola può essere costruito utilizzando quattro diodi disposti in una configurazione a forma di ponte, ma il diodi a forma di opde.

Un altro principio chiave di progettazione è la scelta di passaggio. I transistor ad effetto campo (MOSFET) sono preferiti per applicazioni ad ultra-bassa tensione perché non hanno una caduta di tensione in avanti nel senso convenzionale; invece, hanno una giunzione on-resistance (R]DS(on)]]]). Questa resistenza può essere bassa come un paio di frenimetri a tensione.

Analisi del circuito di rettifica attivo di metà corsa

Per illustrare, considerare un semplice retifier attivo a mezza ondata con un singolo amplificatore op e un MOSFET a canale N. Lo scarico di MOSFET è collegato all'uscita op amp, la sua sorgente al carico, e il suo cancello è guidato dall'amplificatore op-inverting tramite un resistore.

Design di Recensore attivo a tutta velocità

Un retifier attivo a onda intera può essere realizzato utilizzando due amplificatori op in una configurazione a volte chiamata "Kitchin circuito" dopo il suo inventore. Il primo op amp forma di rettificatore a mezza onda di precisione, e il secondo amplificatore op a comando funge da amplificatore di somma. L'uscita è il valore assoluto dell'ingresso. Un design alternativo e più compatto utilizza un singolo amplificatore con quattro diodi e una rete di resistenza.

Per i segnali inferiori a 100 mVlog, un amplificatore a singola fornitura che funziona su 1,8 V o 3.3 V è comune. Tuttavia, l'ingresso/uscita di rete/uscita di ingresso di App-DA è necessario per garantire che l'ingresso comune-modo gamma di Opp-DA comprende il terreno e che l'uscita può chiudere l'oscillazione moderna di Strumenti

Sfide e soluzioni di progettazione

Una delle sfide più significative nella progettazione di raddrizzatori attivi a bassa tensione è mantenere l'accuratezza e la stabilità a livelli di segnale molto bassi.

Tensione di ingresso offset

Gli amplificatori Op hanno una piccola tensione di offset DC che appare all'ingresso, tipicamente da 1 μV a 10 mV a seconda del tipo. Per i segnali di tensione ultra-bassa, un offset di persino 100 μV può introdurre un errore inaccettabile. Ad esempio, un segnale 10 mV con un 1 mV di offset risultati in un errore del 10%.

Corrente di input Bias

Per le sorgenti ad alta impedenza, questo può creare un errore significativo. CMOS op amps hanno correnti di polarizzazione molto più basse (piampi) e sono quindi preferiti per il rilevamento di tensione ultra-bassa. L'OPA320 da TI è un esempio di un CMOS op amp con basso rumore di polarizzazione e di bassa tensione.

Rumore

I segnali a basso livello di fresatura (1/f) possono oscurare i segnali a livello di fresivolt. Gli amplificatori a stabilizzazione di Chopper riducono anche il rumore di 1/f spostandolo a frequenze più elevate dove possono essere filtrate. L'attenta disposizione con motivi analogici e digitali separati, e l'uso di anelli di protezione intorno ai nodi sensibili, riduce ulteriormente il pick-up del rumore.

Stabilità e Margine di Fase

I retifier attivi operano spesso in un loop di feedback che può diventare instabile a causa della non linearità dell'elemento di commutazione. La capacità di uscita MOSFET e l'impedenza di uscita dell'amplificatore creano un polo che può causare oscillazione.

Reiezione dell'alimentazione elettrica

Poiché la tensione di alimentazione dell'amplificatore è molto più alta del segnale, il rumore dell'alimentazione può accoppiarsi nel percorso del segnale. I regolatori a bassa goccia (LDO) con alto rapporto di rifiuto del PSRR (alimentazione elettrica) devono essere utilizzati per fornire l'amplificatore op. Inoltre, i condensatori di bypass (ceramica da 0,1 μF e elettrolitica da 10 μF) vicino ai pin di alimentazione dell'amplificatore sono essenziali.

Selezione componenti

La scelta dei componenti giusti è fondamentale per ottenere le prestazioni desiderate a livelli di tensione ultra-bassi.

  • Amplificatori operativi Cerca bassa tensione di offset (basso 50 μV), bassa corrente di polarizzazione] (basso 10 pA), e
  • Trasmettitori: Usare MOSFET N-canale con bassa tensione di soglia (VGS(th) < 1 V) and low on-resistance. The ]Infineon BSN20]] (Vth ~0.7 V) o la ON semiconductor NDS35AN scelte molto buone.
  • Componenti passivi:] Usa resistenze di precisione[] con tolleranza dello 0,1% e coefficiente di temperatura basso (25 ppm/°C o meglio). Per i condensatori, scegliere tipi di bassa lesione] come film o NP0/C0G per motivi di ceramica per il percorso di filtraggio ad alta velocità e filtrante elettrotico.
  • Diodi:[] Se si utilizza un diodo nel percorso di feedback (ad esempio, per protezione o pregiudizi), utilizzare diodi Schottky con bassa tensione in avanti (ad esempio, BAT54) per ridurre al minimo la caduta residua, anche se in un retifier attivo l'amplificatore compensa l'operazione. Tuttavia, per l'assoluta operazione di tensione più bassa, il diodo MOET è spesso sostituito da un FSFET completamente.

Applicazioni dei rettificatori attivi di tensione ultra-bassa

Questi raddrizzatori sono utilizzati in vari campi in cui le ampiezza del segnale sono estremamente piccole e dove l'efficienza energetica è fondamentale.

Sistemi di raccolta dell'energia

Nel raccolto energetico vibrazionale, i trasduttori piezoelettrici generano tensioni AC di pochi millivolt a poche centinaia di millivolt. Un rettificatore attivo con un basso offset op amp può rettificare questi segnali con alta efficienza, caricando un condensatore di stoccaggio o una batteria.

Strumenti biomedici

I segnali di elettrocardiogramma (ECG) e elettroencefalogramma (EEG) hanno ampiezza nell’intervallo di 1-5 mV e 10100 μV rispettivamente. È necessaria una rettifica accurata di questi segnali per l’estrazione delle caratteristiche, come il rilevamento della onde R in ECG.

Reti a basso raggio del sensore

I nodi di sensore wireless che raccolgono energia da fonti ambientali hanno bisogno di raddrizzatori efficienti per convertire le sorgenti di corrente alternata (come le vibrazioni RF o meccaniche) in DC. I raddrizzatori attivi migliorano la sensibilità della raccolta di energia RF, permettendo ai nodi di operare a distanze oltre a ciò che i raddrizzatori passivi possono raggiungere.

Sistemi RFID e NFC

In tag RFID passivi, il campo RF del lettore induce una piccola tensione di CA nell'antenna del tag. Questa tensione deve essere rettificata per alimentare il chip. I rettificatori attivi con capacità di tensione ultra-bassa permettono ai tag di operare a distanze di lettura maggiori o con antenne più piccole. La sfida qui è la velocità: i segnali RFID sono a 13.56 MHz o più, che richiedono amplificatori op con i driver di guadagno-bandlarghezza sufficiente.

Simulazione e test dei rettificatori attivi

Prima di costruire un prototipo fisico, la simulazione è essenziale per verificare il comportamento del circuito a livelli di tensione ultra-bassi. Strumenti come LTspice, PSpice o Multisim consentono ai progettisti di modellare gli amplificatori con tensioni di offset realistiche, correnti di bias e rumore.

  • DC Sweep:[]] Tensione di ingresso da -100 mV a +100 mV per osservare la funzione di trasferimento. L'uscita dovrebbe essere zero per una metà e lineare per l'altra.
  • Analisi transitoria:[] Applicare un ingresso sinusoidale con ampiezza inferiore a 10 mV ad una frequenza di 1 kHz a 10 kHz. Misurare la forma d'onda di uscita, la ricresce e il valore medio DC. Verificare la distorsione al passaggio zero, che indica limitazioni di velocità di commutazione.
  • Analisi del rumore:[ Calcola la densità totale del rumore di uscita. Integrare sulla larghezza di banda per garantire che il rapporto segnale-rumore sia accettabile (ad esempio, > 20 dB per un segnale 10 mV).
  • Analisi dei rifiuti:[] Misurare il consumo attuale dell'amplificatore e l'elemento di commutazione per verificare che l'efficienza del rettificatore giustifichi il suo utilizzo su una soluzione passiva.

Il test sul banco richiede apparecchiature sensibili: un generatore di segnale a basso rumore, un oscilloscopio di precisione (12-bit risoluzione o meglio), e una sorgente DC a microvolt per la calibrazione offset. Utilizzare cavi schermati e un piano terra per ridurre al minimo le interferenze esterne. L'alimentazione dell'amplificatore deve provenire da una batteria o da un regolatore lineare a basso rumore, non da un alimentatore di commutazione, per evitare l'accoppiamento increspagliamento.

Tecniche avanzate e direzioni future

I recenti progressi nella progettazione dei rettificatori attivi includono l'uso di circuiti di capacità negativi per compensare la capacità parassitaria, e l'integrazione dei rettificatori nella tecnologia di processo CMOS per sistemi autonome di energia sul chip. Un'altra tecnica emergente è l'uso di rettificatori attivi a condensatore commutato, che operano senza induttanti e può aumentare la tensione durante la rettificazione.

Per gli ingegneri che progettano circuiti pratici, vale la pena considerare un approccio ibrido: utilizzare un rettificatore passivo per generare una piccola fornitura iniziale per l'amplificatore op, quindi impegnarsi il rettificatore attivo per una maggiore efficienza una volta che la tensione raggiunge una soglia. Questo "auto-avviare" rettificatore attivo è un argomento di ricerca attiva nella comunità di raccolta di energia.

Conclusioni

Grazie alla selezione accurata dei componenti, in particolare il transistor op amp e il commutatore di commutazione, e alle sfide di progettazione come la tensione di offset, la corrente di polarizzazione, la simulazione di rumore e la stabilità, gli ingegneri possono sviluppare circuiti di rettifica altamente sensibili adatti per applicazioni avanzate nel raccolto energetico, dispositivi analogici di fail-power e di basso potere.