Actieve gelijkrichters zijn essentiële componenten in de moderne elektronica, vooral voor toepassingen die de detectie van ultra-lage spanningssignalen vereisen. Traditionele diode-gebaseerde gelijkrichters falen vaak bij zeer lage spanningsgraden als gevolg van de voorwaartse spanningsdaling van diodes, die typisch ongeveer 0,6 tot 0,7 volt voor siliciumdioden en 0,2 tot 0,3 volt voor Schottky diodes is. Deze spanningsdaling wordt een belangrijke barrière wanneer signaalamplitudes in het millivolt bereik duiken, zoals te zien in energie oogstsystemen, biomedische sensoren en draadloze communicatie front-ends. Om deze beperking te overwinnen, hebben ingenieurs op amp gebaseerde actieve gelijkrichters ontwikkeld die effectief kunnen werken op millivolt niveaus, het bereiken van bijna-ideale rectificatie door middel van een operationele versterker om actief een transistor of analoge schakelaar te schakelen met vrijwel geen vooruit spanningsverlies.

Inleiding tot actieve Rectifiers

Actieve gelijkrichters gebruiken operationele versterkers (op versterkers) om het gedrag van diodes te emuleren zonder de spanningsval die verbonden is met halfgeleiderverbindingen. Dit maakt het mogelijk om nauwkeurige correctie van signalen met een amplitude van slechts enkele millivolt, waardoor ze ideaal zijn voor gevoelige meetsystemen en toepassingen met een laag vermogen. De term "actief" verwijst naar het gebruik van aangedreven componenten . Meestal een op versterker en een schakelelement .. om actief de richting van de stroomstroom te controleren. In tegenstelling tot passieve diode gelijkrichters, die afhankelijk zijn van de inherente niet-lineaire kenmerken van een p-n verbinding, actieve gelijkrichters kunnen efficiëntie boven 90% bereiken, zelfs bij ingangsspanningen onder 100 mV. Dit maakt ze onmisbaar in moderne low-power elektronica waar elke microvolt van signaal zaken.

De fundamentele bewerking houdt in dat de ingangsspanning wordt vergeleken met een referentie (vaak grond). Wanneer de ingang de referentie in de gewenste polariteit overschrijdt, drijft de op amp een pass element (MOSFET of BJT) in geleiding, waardoor stroom naar de uitgang kan stromen. Wanneer de ingang polariteit omdraait, schakelt de op amp het pass element uit, waardoor stroom wordt geblokkeerd. Het resultaat is een uitgang die de positieve (of negatieve) helft van de ingangsgolfvorm met een verwaarloosbare spanningsdaling weerspiegelt. Dit concept kan worden uitgebreid tot volledige golfcorrectie met behulp van een precisie-gelijkrichterconfiguratie, vaak gebouwd met twee op versterkers of een enkele op versterker plus een paar externe diodes.

Ontwerpbeginselen van Op-Amp-based actieve Rectifiers

Het kernontwerp draait rond het besturen van een transistor of analoge schakelaar met de op ampère uitgang. De eenvoudigste vorm is een halve golf gelijkrichter. In een typische niet-inverteren configuratie, wordt het ingangssignaal toegepast op de niet-inverteren ingang van de op amp. Een diode wordt geplaatst in de feedback lus, en de uitgang wordt genomen van de verbinding van de diode en een weerstandsverdeler. Wanneer de ingang positief is, de op amp drijft de diode in geleiding, en de uitgang volgt de ingang minus de op ampère offset spanning. Wanneer de ingang negatief is, de diode wordt omgekeerd-bevooroordeeld, en de output wordt getrokken naar de grond door een weerstand. Dit circuit kan signalen naar beneden uit te stellen naar het microvolt niveau als een precisie op versterker met lage offset wordt gebruikt.

Voor volledige correctie van de golf is een meer verfijnde topologie nodig. Eén gemeenschappelijke aanpak gebruikt twee opversterkers: de eerste voert een halve golfcorrectie uit op de positieve halve cyclus, terwijl de tweede omkert en het signaal combineert om de negatieve halve cyclus te reproduceren. Als alternatief kan een enkele op-amp precisie full-wave gelijkrichter worden gebouwd met vier diodes gerangschikt in een brugconfiguratie, maar de op amp elimineert nog steeds de diode druppels. Deze circuits worden vaak "precisie gelijkrichters" genoemd omdat ze de exacte vorm van de input golfvorm behouden.

Een ander belangrijk ontwerpprincipe is de keuze van het paselement. Metalen-oxide-semigeleiderveld-effecttransistoren (MOSFET's) hebben de voorkeur voor ultra-lage spanningstoepassingen omdat ze geen voorwaartse spanningsdaling in de conventionele zin hebben; in plaats daarvan hebben ze een on-weerstand (RDS(on)[). Deze weerstand kan zo laag zijn als een paar milliohm, waardoor een spanningsdaling evenredig aan de stroom in plaats van een vaste drempel. bipolaire junction transistors (BJT's) hebben een verzadigingsspanning van ongeveer 0,2 V, die lager is dan een diode maar nog steeds te hoog voor millivolt-niveau signalen. Daarom gebruiken de meeste moderne actieve gelijkrichters voor ultra-lage spanning N-kanaal- of P-kanaal MOSFET's, vaak in een gemeenschappelijke bron of gemeenschappelijke-drain configuratie.

Halfgolf actieve Rectifier Circuit Analysis

Om te illustreren, overwegen een eenvoudige halve golf actieve gelijkrichter met een enkele op amp en een N-kanaal MOSFET. De MOSFET drain is aangesloten op de op amp uitgang, de bron van de bron aan de belasting, en de poort wordt aangedreven door de op amp via een weerstand. Een feedback weerstand verbindt de bron aan de omkerende ingang. Wanneer de ingang bij de niet-inverterende pin positief is, de op amp uitgang gaat hoog, draaien op de MOSFET. De uitgangsspanning aan de bron volgt dan de ingang spanning (minus de zeer kleine daling over de MOSFET's on-weerstand). Wanneer de ingang gaat negatief, de op amp uitgang schommelt laag, draaien de MOSFET uit, en de belasting is geïsoleerd. De nauwkeurigheid van dit circuit is sterk afhankelijk van de ingang offset spanning van de op amp. Zelfs een paar mV van offset kan een signaal in de 10-50 mV bereik. Daarom, chopper gestabiliseerd op amps onder 1 μV.

Volledig Golf actief Rectifier ontwerp

Een actieve gelijkrichter met volle golven kan worden gerealiseerd met twee op versterkers in een configuratie die soms de "Kitchin schakeling" na de uitvinder wordt genoemd. De eerste op amp vormt een precisie half-golf gelijkrichter, en de tweede op amp fungeert als een somversterker. De uitgang is de absolute waarde van de ingang. Een alternatief en compacter ontwerp maakt gebruik van een enkele op versterker met vier diodes en een weerstandsnetwerk, maar de diode druppels worden gecompenseerd door de feedback van de op amp. Dit circuit staat ook bekend als een "precisie full-wave gelijkrichter" en kan frequenties tot een paar honderd kilohertz verwerken, beperkt door de op amp's verzweefsnelheid en gain-bandbreedte product.

Bij het ontwerpen van ultra-lage spanningssignalen moet speciale aandacht worden besteed aan de voeding. De op amp zelf vereist een voedingsspanning die hoger is dan de signaalamplitude. Voor signalen onder 100 mV is een single-supply op amp die draait op 1,8 V of 3,3 V gebruikelijk. Echter, rail-to-rail ingang/output op versterkers zijn noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de ingang common-mode bereik omvat grond en dat de uitgang kan schommelen dicht bij de rails. Veel moderne op versterkers, zoals de Texas Instruments OPA333, of analoge apparaten ADA4505, zijn ontworpen voor een lage spanning single-supply werking met uitstekende offsetprestaties.

Uitdagingen en oplossingen voor het ontwerp

Een van de belangrijkste uitdagingen bij het ontwerpen van ultra-lage spanning actieve gelijkrichters is het handhaven van nauwkeurigheid en stabiliteit op zeer lage signaalniveaus. Geluid, input bias stromen, en offset spanningen kunnen significant invloed hebben op de prestaties. Laten we deze uitdagingen en hun mitigatie afbreken.

Spanning van invoerverschuiving

Opversterkers hebben een kleine DC offset spanning die verschijnt bij de ingang, meestal variërend van 1 μV tot 10 mV afhankelijk van het type. Voor ultra-lage spanningssignalen, kan een offset van zelfs 100 μV onaanvaardbare fout veroorzaken. Bijvoorbeeld, een 10 mV signaal met een 1 mV offset resulteert in een 10% fout. Oplossingen omvatten het gebruik van helikopter gestabiliseerd (auto-nul) op versterkers die periodiek offset annuleren, zoals de LTC1052 of MAX4238, die offsets onder 1 μV hebben. Als alternatief, externe nulling circuits kunnen worden gebruikt, maar ze voegen complexiteit toe.

Invoer-Bias-stroom

Voor de hoge impedantiebronnen kan dit een belangrijke fout veroorzaken. CMOS op amps hebben veel lagere biasstromen (picoamps) en hebben daarom de voorkeur voor ultra-lage spanningsdetectie. De OPA320 van TI is een voorbeeld van een CMOS op amp met lage biasstroom en laag lawaai.

Geluid

Low-frequency (1/f) lawaai en thermische geluid kan verduisteren millivolt-niveau signalen. Chopper gestabiliseerde op versterkers ook verminderen 1/f lawaai door het te verschuiven naar hogere frequenties waar het kan worden gefilterd. Zorgvuldige lay-out met aparte analoge en digitale gronden, en het gebruik van bewakers ringen rond gevoelige knooppunten, verder vermindert ruis pick-up. Output filtering met RC netwerken kan de gecorrigeerde golfvorm schoon zonder de invoering van fase vervorming.

Stabiliteits- en fasemarge

Actieve gelijkrichters werken vaak in een terugkoppelingslus die onstabiel kan worden door de niet-lineairheid van het schakelelement. De MOSFET poortcapaciteit en de uitvoerimpedantie van de op amp creëren een pool die oscillatie kan veroorzaken. Om stabiliteit te garanderen, kan een kleine weerstand (bijv. 10-100 Ω) in serie geplaatst worden met de op amp. een condensator kan toegevoegd worden van de feedbacknode tot de grond. Dit compenseert de lus en elimineert hogefrequentie ringing.

Afwijzing van stroomvoorziening

Aangezien de voedingsspanning op amp

Componentselectie

Het kiezen van de juiste componenten is cruciaal voor het bereiken van de gewenste prestaties bij ultra-lage spanningsniveaus. Hieronder vindt u een gedetailleerde handleiding:

  • Operationale versterkers: Onder offsetspanning (onder 50 μV), onder vooringenomenheidstroom (onder 10 pA), en hoge winstbandbreedte (minstens 1 MHz voor signalen tot 100 kHz). Rail-to-rail ingang/output is verplicht voor single-supply werking. Aanbevolen onderdelen: TI OPA333[ (koper gestabiliseerd, 10 μV offset), analoge apparaten ADA4505 (microfoonversterkerstijl, laag vermogen), en [Maxim MAX4238[ (ultra-low offset, 0,1 μV).
  • Transistoren: Gebruik enhancement-mode N-kanaal MOSFET's met lage drempelspanning (VGS(th) < 1 V) and low on-resistance. The Infineon BSN20 (Vth ~0.7 V) of ON Semiconductor NDS351AN zijn goede keuzes. Voor zeer lage spanning (sub-100 mV), overwegen gebruik te maken van een depletie-mode MOSFET of een JFET, maar deze vereisen zorgvuldige bevoordeling.
  • Passive Components: Gebruik precisieweerstanden met 0,1% tolerantie en lage temperatuurcoëfficiënt (25 ppm/°C of beter). Kies voor condensatoren lage lekweerstanden zoals film of NP0/C0G keramiek voor timing en filtering. Elektrolytische condensatoren moeten worden vermeden in het signaalpad vanwege hoge lekkage. Metalen filmweerstanden hebben de voorkeur boven koolstoffilm om geluidsredenen.
  • Diodes: Als een diode in het terugkoppelingspad wordt gebruikt (bv. voor bescherming of vooringenomenheid), gebruik dan Schottky-dioden met lage voorspanning (bv. BAT54) om de resterende val te minimaliseren, hoewel in een actieve gelijkrichter de opversterker dit compenseert. Echter, voor de absolute laagste spanningsbewerking wordt de diode vaak volledig vervangen door een MOSFET.

Toepassingen van ultra-lage spanning actieve Rectifiers

Deze gelijkrichters worden gebruikt in verschillende velden waar signaalamplitudes extreem klein zijn en waar energie-efficiëntie van het grootste belang is. Hieronder worden uitgebreide toepassingsvoorbeelden gegeven:

Energiewinningssystemen

Bij het oogsten van trillingsenergie genereren piëzo-elektrische transducers wisselspanningen van enkele millivolt tot enkele honderden millivolt. Een actieve gelijkrichter met een lage offset op versterker kan deze signalen met een hoog rendement corrigeren, een opslagcondensator of batterij opladen. Op dezelfde manier produceren thermo-elektrische generatoren (TEG's) gelijkspanningen die variëren met temperatuur; actieve gelijkrichters kunnen worden gebruikt om deze te verhogen en te reguleren als de TEG-uitgang AC-koppeld is. [Analoge apparaten .. energieinval referentieontwerpen ] bevatten vaak actieve correctie om opstartspanningen te bereiken onder 20 mV.

Biomedische instrumentatie

Elektrocardiogram (ECG) en elektroencefalogram (EEG) signalen hebben een amplitude in het bereik van respectievelijk 1-5 mV en 10-100 μV. Nauwkeurige correctie van deze signalen is nodig voor functie extractie, zoals R-golf detectie in ECGs. Actieve gelijkrichters behouden de golfvorm zonder te verstoren kleine functies. Implanteerbare medische apparaten, zoals pacemakers en neurale stimulatoren, ook gebruik maken van actieve correctie voor draadloze overdracht van stroom van een externe zender. Het ontvangen AC signaal kan zo laag als een paar honderd millivolt, die gelijkrichters met minimale dropout. Voorbeeld: TI

Netwerken met een lage vermogenssensor

Draadloze sensorknooppunten die energie oogsten uit omgevingsbronnen hebben efficiënte gelijkrichters nodig om wisselstroombronnen (zoals RF of mechanische trillingen) om te zetten in DC. Actieve gelijkrichters verbeteren de gevoeligheid van RF energie oogst, waardoor knooppunten kunnen werken op afstanden die verder gaan dan wat passieve gelijkrichters kunnen bereiken. Bijvoorbeeld, een passieve gelijkrichter vereist minstens -20 dBm (10 μW) ingangsvermogen, terwijl een actieve gelijkrichter kan werken met -30 dBm of lager, zij het verbruiken van een aantal stroom zelf. De netto winst is nog steeds positief voor vele toepassingen.

RFID- en NFC-systemen

Bij passieve RFID-tags zorgt het RF-veld van de lezer voor een kleine wisselspanning in de tagantenne. Deze spanning moet worden gecorrigeerd om de chip aan te drijven. Actieve gelijkrichters met ultralage spanningsmogelijkheid maken het mogelijk tags te bedienen op grotere leesafstanden of met kleinere antennes. De uitdaging is hier snelheid: RFID-signalen zijn op 13,56 MHz of hoger, waarbij opversterkers met voldoende gain-bandbreedte product nodig zijn. Sommige ontwerpen gebruiken discrete transistors met op versterker-drivers om zowel snelheid als lage val te bereiken.

Simulatie en testen van actieve Rectifiers

Voordat een fysiek prototype wordt gebouwd, is simulatie essentieel om het gedrag van de schakeling te verifiëren bij ultra-lage voltageniveaus. Gereedschap zoals LTspice, PSpice of Multisim laat ontwerpers toe om op versterkers te modelleren met realistische offsetspanningen, biase stromen en ruis.

  • DC Veeg: Veeg de ingangsspanning van -100 mV naar +100 mV om de overdrachtsfunctie te observeren. De uitgang moet nul zijn voor de ene helft en lineair voor de andere. Kijk naar fouten bij de nuldoorvaart als gevolg van offset.
  • Voorbijgaande analyse: Breng een sinusoïdale ingang met een amplitude van 10 mV aan met een frequentie van 1 kHz tot 10 kHz. Meet de uitgangsgolfvorm, rimpel en gemiddelde DC-waarde. Controleer op vervorming bij de nuldoorgang, wat de schakelsnelheidsbeperkingen aangeeft.
  • Lawaaianalyse: Bereken de totale geluidsspectraaldichtheid van de uitgang. Integreer over de bandbreedte om ervoor te zorgen dat de signaal-ruisverhouding aanvaardbaar is (bv. > 20 dB voor een 10 mV signaal).
  • Power Analysis: Meet het huidige verbruik van de op amp en het schakelelement om na te gaan of de gelijkrichter zijn efficiëntie rechtvaardigt om het gebruik ervan te rechtvaardigen boven een passieve oplossing.

Voor het testen op de bank is een gevoelige apparatuur nodig: een geluidsarm signaalgenerator, een precisie oscilloscoop (12-bit resolutie of beter), en een microvolt-niveau DC bron voor offset kalibratie. Gebruik afgeschermde kabels en een grondvlak om externe interferentie te minimaliseren. De voeding van de op amp. moet afkomstig zijn van een batterij of een laag-ruis lineaire regulator, niet een schakelvoorziening, om rimpelkoppeling te voorkomen.

Geavanceerde technieken en toekomstige aanwijzingen

Recente vooruitgang in het ontwerp van actieve gelijkrichters omvatten het gebruik van negatieve vermogenscircuits ter compensatie van parasitaire capaciteit, en de integratie van gelijkrichters in CMOS procestechnologie voor energie-autonome systemen op chip. Een andere opkomende techniek is het gebruik van actieve gelijkrichters met geschakelde condensator, die zonder smartphone werken en spanning kunnen stimuleren tijdens het corrigeren. Voor sub-10 mV signalen, onderzoeken onderzoekers het gebruik van parametrische versterking voor correctie, hoewel de complexiteit toeneemt.

Voor ingenieurs die praktische circuits ontwerpen, is het de moeite waard om een hybride benadering te overwegen: gebruik een passieve gelijkrichter om een kleine initiële voeding voor de op amp te genereren, en schakel vervolgens de actieve gelijkrichter in voor een hogere efficiëntie zodra de spanning een drempel bereikt. Deze "zelfstartende" actieve gelijkrichter is een onderwerp van actief onderzoek in de energie oogst gemeenschap.

Conclusie

Op amp gebaseerde actieve gelijkrichters bieden een betrouwbare oplossing voor ultra-low voltage signaaldetectie, waardoor de fundamentele limiet van diode voorspanningsdalingen wordt overwonnen. Door zorgvuldig te selecteren componenten, vooral de op amp en schakeltransistor ..en het aanpakken van ontwerp uitdagingen zoals offset spanning, biasstroom, geluid, en stabiliteit, kunnen ingenieurs zeer gevoelige correctie circuits ontwikkelen die geschikt zijn voor geavanceerde toepassingen in energie oogsten , biomedische apparaten en lage-vermogen elektronica . De continue verbetering van ultra-low-power precisie op versterkers en lage-drempel MOSFETs zorgt ervoor dat actieve gelijkrichters zal blijven een hoeksteen van moderne lage spanning analoge ontwerp . Met de juiste simulatie en testen , kunnen deze circuits bereiken bijna-ideale prestaties tot signaalniveaus waar conventionele gelijkrichters volledig zou falen .