Активные выпрямители являются важными компонентами в современной электронике, особенно для приложений, требующих обнаружения сигналов сверхнизкого напряжения. Традиционные выпрямители на диодной основе часто выходят из строя при очень низких напряжениях из-за перепада напряжения диодов кремния, которое обычно составляет от 0,6 до 0,7 вольт для диодов кремния и от 0,2 до 0,3 вольт для диодов Шоттки. Это падение напряжения становится значительным барьером, когда амплитуды сигнала опускаются в диапазон милливольта, как видно в системах сбора энергии, биомедицинских датчиках и беспроводных интерфейсах связи. Для преодоления этого ограничения инженеры разработали активные выпрямители на основе усилителя, которые могут эффективно работать на уровнях милливольта, достигая почти идеальной выпрямления с помощью операционного усилителя для активного переключения транзистора или аналогового переключателя практически без потери переднего напряжения.

Введение в активные ректификаторы

Активные выпрямители используют операционные усилители (op amps) для эмуляции поведения диодов без падения напряжения, связанного с полупроводниковыми переходами. Это позволяет точно выпрямлять сигналы с амплитудами до нескольких милливольт, что делает их идеальными для чувствительных измерительных систем и приложений с малой мощностью. Термин «активный» относится к использованию силовых компонентов - обычно усилителя и переключающего элемента - для активного управления направлением тока. В отличие от пассивных диодных выпрямителей, которые полагаются на присущие нелинейные характеристики p-n-перехода, активные выпрямители могут достигать эффективности выше 90% даже при входных напряжениях ниже 100 мВ. Это делает их незаменимыми в современной электронике с низкой мощностью, где каждый микровольт сигнала имеет значение.

Фундаментальная операция предполагает сравнение входного напряжения с эталонным (часто грунтовым). Когда вход превышает отсылку в желаемой полярности, операционный усилитель приводит в проводимость проходной элемент (MOSFET или BJT), позволяя току течь на выход. Когда вход поворачивает полярность, операционный усилитель отключает проходной элемент, блокируя ток. Результатом является выход, который отражает положительную (или отрицательную) половину входной формы волны с незначительным падением напряжения. Эта концепция может быть расширена до полноволновой выпрямления с использованием конфигурации точного выпрямителя, часто построенной с двумя операционными усилителями или одним операционным усилителем плюс несколько внешних диодов.

Принципы проектирования активных ректоров на основе Op Amp

Конструкция ядра вращается вокруг управления транзистором или аналоговым переключателем с выходом усилителя оптики. Простейшая форма - полуволновой выпрямитель. В типичной неинвертирующей конфигурации входной сигнал подается на неинвертирующий вход усилителя опоры. Диод помещается в петлю обратной связи, а выход берется из соединения диода и делителя резистора. Когда вход положительный, усилитель оптики приводит диод в проводимость, а выход следует за входом минус напряжение смещения усилителя оптики. Когда вход отрицательный, диод обратно направлен, и выход тянут на землю через резистор. Эта схема может выпрямить сигналы до уровня микровольта, если используется прецизионный усилитель оптики с низким смещением.

Для полноволновой выпрямления требуется более сложная топология. Один общий подход использует два op-ампера: первый выполняет полуволновую выпрямку на положительном полуцикле, а второй инвертирует и суммирует сигнал для воспроизведения отрицательного полуцикла. Альтернативно, однооперационный точный полноволновый выпрямитель может быть построен с использованием четырех диодов, расположенных в конфигурации моста, но усилитель оптики все еще устраняет диодные капли. Эти схемы часто называют «точными выпрямителями», потому что они сохраняют точную форму входной формы волны.

Другим ключевым принципом проектирования является выбор пропускного элемента. Металлооксид-полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET) предпочтительны для приложений с ультранизким напряжением, потому что они не имеют переднего падения напряжения в обычном смысле; вместо этого они имеют сопротивление (R]DS(on). Это сопротивление может быть столь же низким, как несколько миллиом, вызывая падение напряжения, пропорциональное току, а не фиксированному порогу. Биполярные транзисторы перехода (BJT) имеют напряжение насыщения около 0,2 В, что ниже, чем диод, но все еще слишком высоко для сигналов уровня милливольта. Поэтому большинство современных активных выпрямителей для сверхнизкого напряжения используют N-канал или P-канал MOSFET, часто в конфигурации с общим источником или общим дренированием.

Анализ цепи активного ректификатора Half-Wave

Для иллюстрации рассмотрим простой полуволновой активный выпрямитель с одним усилителем и N-каналом MOSFET. Слив MOSFET соединен с выходом усилителя op, его источником нагрузки, а его затвор приводится в действие усилителем op через резистор. Отзывной резистор соединяет источник с инвертирующим входом. Когда вход на неинвертирующий вывод усилителя op является положительным, выход усилителя op идет высоко, включая MOSFET. Выходное напряжение на источнике затем следует за входным напряжением (за исключением очень небольшого падения на выходе MOSFET на сопротивление). Когда вход идет отрицательно, выход усилителя op отключается, выключая MOSFET, и нагрузка изолирована. Точность этой схемы в значительной степени зависит от напряжения смещения ввода op amp. Поэтому часто используются стабилизированные op усилители вертолета со смещенными напряжениями ниже 1 мкВ.

Полноволновый активный дизайн ректификатора

Полноволновой активный выпрямитель может быть реализован с помощью двух операционных усилителей в конфигурации, иногда называемой «схемой Китчина» после его изобретателя. Первый операционный усилитель образует прецизионный полуволновой выпрямитель, а второй операционный усилитель действует как сумматорный усилитель. Выход является абсолютным значением ввода. Альтернативная и более компактная конструкция использует один операционный усилитель с четырьмя диодами и сетью резисторов, но диодные капли компенсируются обратной связью операционного усилителя. Эта схема также известна как «точный полноволновый выпрямитель» и может обрабатывать частоты до нескольких сотен килогерц, ограниченные скоростью разряда и пропускной способностью продукта оптического усилителя.

При проектировании сигналов сверхнизкого напряжения особое внимание необходимо уделить источнику питания. Сам усилитель оптического напряжения требует напряжения питания выше амплитуды сигнала. Для сигналов ниже 100 мВ характерно одноприводное усилитель опового напряжения, работающее на 1,8 В или 3,3 В. Однако для обеспечения того, чтобы входной диапазон опового режима включал в себя землю и чтобы выход мог качаться близко к рельсам, необходимы усилители рельсового ввода/вывода, предназначенные для низковольтной одноприводной работы с отличной смещенной производительностью. Многие современные усилители опового напряжения, такие как Texas Instruments OPA333 или Analog Devices ADA4505.

Проектирование вызовов и решений

Одной из наиболее значительных проблем при проектировании активных выпрямителей сверхнизкого напряжения является поддержание точности и стабильности на очень низких уровнях сигнала. Шум, входной ток смещения и смещенное напряжение могут существенно повлиять на производительность. Давайте разберем эти проблемы и их смягчение.

Вводное напряжение Offset Voltage

Оп-амперы имеют небольшое напряжение смещения постоянного тока, которое появляется на входе, обычно в диапазоне от 1 мкВ до 10 мВ в зависимости от типа. Для сигналов сверхнизкого напряжения смещение даже 100 мкВ может вводить неприемлемую ошибку. Например, сигнал 10 мВ со смещением 1 мВ приводит к 10%-й ошибке. Решения включают в себя использование стабилизированных (авто-ноль) операционных усилителей, которые периодически отменяют смещение, таких как LTC1052 или MAX4238, которые имеют смещения ниже 1 мкВ. Альтернативно могут использоваться внешние нульирующие схемы, но они добавляют сложность.

Ввод Bias Current

Биполярные операционные усилители требуют небольшого постоянного тока во входах, который течет через сопротивление источника и создает падения напряжения. Для источников высокого давления это может создать значительную ошибку. CMOS op amps имеют гораздо более низкие токи смещения (пикоампы) и поэтому предпочтительны для обнаружения сверхнизкого напряжения. OPA320 от TI является примером CMOS op amp с низким током смещения и низким шумом.

Шум

Низкочастотный (1/f) шум и тепловой шум могут заслонять сигналы милливольтного уровня. Стабилизированные на вертолете усилители op также уменьшают 1/f шум, перемещая его на более высокие частоты, где его можно фильтровать. Тщательная компоновка с отдельными аналоговыми и цифровыми основаниями, а также использование защитных колец вокруг чувствительных узлов еще больше снижает шумопоглощение. Выходная фильтрация с RC-сетями может очищать выпрямленную форму волны без введения фазового искажения.

Стабильность и фазовая маржа

Активные выпрямители часто работают в петле обратной связи, которая может стать нестабильной из-за нелинейности переключающего элемента. Емкость затвора MOSFET и выходное импеданс усилителя op создают полюс, который может вызывать колебания. Для обеспечения стабильности небольшой резистор (например, 10-100 Ω) может быть помещен последовательно с выходом усилителя op, и конденсатор может быть добавлен из узла обратной связи на землю. Это компенсирует петлю и устраняет высокочастотное звон.

Отказ от энергоснабжения

Поскольку напряжение питания усилителя оптики намного выше, чем сигнал, шум источника питания может соединяться с сигнальным путем. Для подачи усилителя оптики следует использовать регуляторы с низким уровнем выпадения (LDO) с высоким коэффициентом отбрасывания питания (отклонение питания). Кроме того, необходимы конденсаторы обхода (0,1 мкФ керамические и 10 мкФ электролитические) вблизи контактов питания усилителя оптики.

Выбор компонентов

Выбор правильных компонентов имеет решающее значение для достижения желаемой производительности при сверхнизких уровнях напряжения. Ниже приводится подробное руководство:

  • Операционные усилители:Поиск низкого смещения напряжения (ниже 50 мкВ), низкого тока смещения (ниже 10 рА)] и высокой полосы усиления (по меньшей мере 1 МГц для сигналов до 100 кГц). Железнодорожный вход/выход является обязательным для однократной работы.TI OPA333 (стабилизированный на хоппере, смещение 10 мкВ), Аналоговые устройства ADA4505 (стиль микрофонного усилителя, низкая мощность) и Максим MAX4238 (ультранизкое смещение, 0,1 мкВ).
  • Транзисторы: Использование N-канальных МОПТ с низким пороговым напряжением (V]GS(th)< 1 V) and low on-resistance. The Infineon BSN20 (Vth ~0,7 В) или ON Semiconductor NDS351AN — хороший выбор.Для очень низкого напряжения (под-100 мВ) рассмотрите возможность использования MOSFET или JFET в режиме истощения, но они требуют тщательного смещения.
  • Пассивные компоненты: Использование прецизионных резисторов с допуском 0,1% и низким температурным коэффициентом (25 ppm/°C или лучше). Для конденсаторов выберите типы с низким утечкой, такие как пленка или NP0/C0G керамика для синхронизации и фильтрации. Электролитических конденсаторов следует избегать в сигнальном пути из-за высокой утечки. Металлические пленочные резисторы предпочтительнее углеродной пленки по шумовым причинам.
  • Диоды: Если использовать диод в пути обратной связи (например, для защиты или смещения), используйте диоды Шоттки с низким передним напряжением (например, BAT54) для минимизации остаточного падения, хотя в активном выпрямителе усилитель оптики компенсирует его. Однако для абсолютной работы с наименьшим напряжением диод часто полностью заменяется MOSFET.

Применение активных выпрямителей сверхнизкого напряжения

Эти выпрямители используются в различных областях, где амплитуды сигнала чрезвычайно малы и где энергоэффективность имеет первостепенное значение. Ниже приведены примеры расширенного применения:

Системы сбора энергии

При сборе вибрационной энергии пьезоэлектрические преобразователи генерируют напряжения переменного тока от нескольких милливольт до нескольких сотен милливольт. Активный выпрямитель с низким офсетным усилителем может выпрямлять эти сигналы с высокой эффективностью, заряжая конденсатор или батарею. Аналогично, термоэлектрические генераторы (TEG) производят напряжения постоянного тока, которые изменяются с температурой; активные выпрямители могут использоваться для повышения и регулирования их, если выход TEG связан с переменным током. Аналоговые устройства для сбора энергии эталонные конструкции часто включают активную выпрямку для достижения начальных напряжений ниже 20 мВ.

Биомедицинские приборы

Сигналы электрокардиограммы (ЭКГ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ) имеют амплитуды в диапазоне 1-5 мВ и 10-100 мкВ соответственно. Точная выпрямка этих сигналов необходима для извлечения признаков, таких как R-волновое обнаружение в ЭКГ. Активные выпрямители сохраняют форму формы волны без искажения крошечных признаков. Имплантируемые медицинские устройства, такие как кардиостимуляторы и нейронные стимуляторы, также используют активную выпрямку для беспроводной передачи энергии от внешнего передатчика. Принятый сигнал переменного тока может быть низким до нескольких сотен милливольт, требуя выпрямителей с минимальным отсевом. Пример: TI ЭКГ фронтенд-решения полагаются на прецизионные операционные усилители для кондиционирования сигнала.

Сети с низким энергопотреблением

Беспроводные сенсорные узлы, собирающие энергию из источников окружающей среды, нуждаются в эффективных выпрямителях для преобразования источников переменного тока (таких как радиочастотная или механическая вибрация) в DC. Активные выпрямители улучшают чувствительность сбора энергии радиочастотной энергии, позволяя узлам работать на расстояниях, превышающих те, которые могут достигать пассивные выпрямители. Например, пассивный выпрямитель требует входной мощности не менее -20 дБм (10 мкВт), в то время как активный выпрямитель может работать с -30 дБм или ниже, хотя и потребляет некоторую энергию сам. Чистый выигрыш по-прежнему положителен для многих применений.

RFID и NFC системы

В пассивных RFID-метках радиочастотное поле считывателя индуцирует небольшое напряжение переменного тока в антенне метки. Это напряжение должно быть исправлено для питания чипа. Активные выпрямители с возможностью сверхнизкого напряжения позволяют меткам работать на больших расстояниях чтения или с меньшими антеннами. Задача здесь заключается в скорости: сигналы RFID находятся на частоте 13,56 МГц или выше, требуя операционных усилителей с достаточным выходом в полосу усиления. Некоторые конструкции используют дискретные транзисторы с драйверами усилителя для достижения как скорости, так и низкого падения.

Моделирование и тестирование активных ректоров

Перед созданием физического прототипа моделирование необходимо для проверки поведения схемы на уровнях сверхнизкого напряжения. Такие инструменты, как LTspice, PSpice или Multisim, позволяют дизайнерам моделировать операционные усилители с реалистичными напряжениями смещения, токами смещения и шумом. Ключевые шаги моделирования включают в себя:

  • DC Sweep: Перемещайте входное напряжение от -100 мВ до +100 мВ для наблюдения за передающей функцией. Выход должен быть нулевым для одной половины и линейным для другой. Ищите ошибки при пересечении нуля из-за смещения.
  • Транзиентный анализ: Применить синусоидальный вход с амплитудой до 10 мВ на частоте от 1 кГц до 10 кГц. Измерить выходной сигнал, пульсацию и среднее значение постоянного тока. Проверить на искажение при нулевом пересечении, что указывает на ограничения скорости переключения.
  • Анализ шума: Рассчитать общую выходную шумовую спектральную плотность. Интегрировать по полосе пропускания для обеспечения приемлемого соотношения сигнал/шум (например, > 20 дБ для сигнала 10 мВ).
  • Анализ мощности: Измерение текущего потребления усилителя оптики и переключающего элемента для проверки того, что эффективность выпрямителя оправдывает его использование по сравнению с пассивным решением.

Для испытаний на стенде требуется чувствительное оборудование: генератор сигнала низкого шума, прецизионный осциллограф (12-битное разрешение или лучше) и источник постоянного тока на уровне микровольта для офсетной калибровки. Используйте экранированные кабели и наземную плоскость для минимизации внешних помех. Источник питания усилителя оптического усилителя должен поступать от батареи или линейного регулятора низкого шума, а не от коммутационного источника, чтобы избежать рябь связи.

Передовые технологии и будущие направления

Последние достижения в области проектирования активных выпрямителей включают использование схем отрицательной емкости для компенсации паразитной емкости и интеграцию выпрямителей в технологию CMOS для энергоавтономных систем на чипе. Другой развивающейся техникой является использование активных выпрямителей с коммутируемым конденсатором, которые работают без индукторов и могут повышать напряжение при выпрямлении. Для сигналов суб-10 мВ исследователи изучают использование параметрического усиления перед выпрямлением, хотя сложность увеличивается.

Для инженеров, проектирующих практические схемы, стоит рассмотреть гибридный подход: использовать пассивный выпрямитель для генерации небольшого начального питания для усилителя op, затем задействовать активный выпрямитель для повышения эффективности после того, как напряжение достигнет порога. Этот «самозапускающийся» активный выпрямитель является темой активных исследований в сообществе сбора энергии.

Заключение

Активные выпрямители на основе усилителей Op обеспечивают надежное решение для обнаружения сигналов сверхнизкого напряжения, преодолевая фундаментальный предел перепадов диодного напряжения. Тщательно выбирая компоненты - особенно усилитель op и коммутирующий транзистор - и решая проблемы проектирования, такие как напряжение смещения, ток смещения, шум и стабильность, инженеры могут разрабатывать высокочувствительные схемы выпрямления, подходящие для передовых применений в сборе энергии, биомедицинских устройствах и электронике малой мощности. Постоянное улучшение высокоточных усилителей op ультранизкой мощности и низкопороговых MOSFET гарантирует, что активные выпрямители останутся краеугольным камнем современной низковольтной аналоговой конструкции. При правильном моделировании и тестировании эти схемы могут достичь почти идеальной производительности вплоть до уровней сигнала, где обычные выпрямители будут полностью выходить из строя.