ADALM2000實驗：有源整流器

本實驗活動的目標(biāo)是研究有源整流器電路。具體而言，有源整流器電路集成了運算放大器、低閾值P溝道MOSFET和反饋環(huán)路，以合成一個正向壓降低于傳統(tǒng)PN結(jié)二極管的單向電流閥或整流器。

背景知識

電源使用傳統(tǒng)二極管整流交流電壓以獲得直流電壓時，必須對某些本身效率低下的部分進(jìn)行整流。標(biāo)準(zhǔn)二極管或超快速二極管在額定電流時可能具有1 V或更高的正向電壓。二極管的該正向壓降與交流電源串聯(lián)，這會降低潛在的直流輸出電壓。此外，該壓降與通過二極管提供的電流的乘積意味著功耗和發(fā)熱量可能相當(dāng)大。

肖特基二極管的較低正向電壓是對標(biāo)準(zhǔn)二極管的改進(jìn)。但是，肖特基二極管同樣有一個內(nèi)置的固定正向電壓。利用FET較低的傳導(dǎo)損耗，與輸入交流波形同步地主動開關(guān)MOSFET器件以模仿二極管，可以實現(xiàn)更高的效率。有源整流常被稱為同步整流，是指根據(jù)極性在交流波形的適當(dāng)時間點開關(guān)FET器件，因此它可充當(dāng)整流器，僅在所需方向上傳導(dǎo)電流。

與結(jié)型二極管的情況不同，F(xiàn)ET的傳導(dǎo)損耗取決于導(dǎo)通電阻(RDS(ON))和電流。選擇低RDS(ON)的足夠大FET可將正向壓降降低到任何二極管所能實現(xiàn)的壓降的一小部分。因此，同步整流器的損耗將比二極管低得多，有助于提高整體效率。

由于必須同步用于開關(guān)FET的柵極信號，因此相比基于二極管的整流器，電路設(shè)計更為復(fù)雜。與必須去除二極管所產(chǎn)生熱量而增加的復(fù)雜性相比，這種復(fù)雜性常常更容易處理。隨著效率要求不斷提高，很多情況下沒有比使用同步整流更好的選擇。

材料

●    ADALM2000 主動學(xué)習(xí)模塊

●    無焊試驗板

●    跳線

●    一個具有軌到軌到軌輸入/輸出的 AD8541 CMOS運算放大器

●    一個ZVP2110A PMOS晶體管（或等效元件）

●    一個4.7 μF電容

●    一個220 μF電容

●    一個10 Ω電阻

●    一個2.2 kΩ電阻

●    一個47 kΩ電阻

●    一個1 kΩ電阻

說明

在試驗板上構(gòu)建圖1所示的簡易半波整流器電路。有源柵極驅(qū)動電路使用運算放大器(AD8541)檢測來自AWG輸出的交流輸入波形何時高于輸出電壓VOUT（在正值方向上），進(jìn)而接通PMOS晶體管M1。該電路可以為低至運算放大器最小電源電壓（AD8541為2.7 V）或PMOS器件柵極閾值電壓（ZVP2110A典型值為1.5 V）的交流電壓提供有源整流。在較低輸入電壓下，MOSFET的背柵極到漏極二極管接管，充當(dāng)普通二極管整流器。

圖1.使用自供電運算放大器的有源半波整流器

圖2.使用自供電運算放大器試驗板電路的有源半波整流器

當(dāng)VIN大于VOUT時，運算放大器將接通PMOS晶體管，公式如下：

其中（電壓以地為基準(zhǔn)）：

VGATE 為M1柵極的電壓。

VIN 為交流輸入電壓。

VOUT 為C1和RL處的輸出電壓。

輸入和輸出電壓可以與PMOS的漏源電壓VDS和柵源電壓VGS關(guān)聯(lián)起來，公式如下：

將這些方程組合起來，便可得到MOSFET柵極驅(qū)動與漏源電壓的函數(shù)關(guān)系：

如果R2的值是R1的21倍(1 MΩ/47 kΩ)，則M1漏源電壓VDS上的75 mV壓降足以導(dǎo)通閾值電壓為–1.5 V的PMOS晶體管。R2與R1的比率可以更大，從而降低輸入到輸出電壓降或支持閾值電壓更高的晶體管。

運算放大器由輸出平整電容C1供電，因此不需要額外的電源。對于為該電路選擇的運算放大器有一定的要求。放大器必須具有軌到軌輸入和輸出，并且在電源軌附近工作時不會出現(xiàn)增益相位反轉(zhuǎn)。運算放大器的帶寬限制了電路的頻率響應(yīng)。為了提高效率，該應(yīng)用常常選擇低電源電流運算放大器，因此帶寬和壓擺率一般較低。在較高交流輸入頻率（可能高于500 Hz）下，放大器的增益將開始下降。AD8541單電源CMOS運算放大器滿足所有這些要求，并且電源電流低至僅45 μA。

硬件設(shè)置

使用自供電運算放大器的有源半波整流器的試驗板連接如圖2所示。

程序步驟

AWG1連接為VIN，應(yīng)配置為幅度大于6 V峰峰值、零偏移和100 Hz頻率的正弦波。示波器輸入用于監(jiān)視電路周圍的各個點，例如VIN、VOUT、RS兩端的電壓，以及通過RS和M1柵極的電流。

開始時，C1使用220 μF的較大電容。220 μF和4.7 μF電容都是極化的，因此請務(wù)必將正極和負(fù)極正確連接到電路。

使用兩個示波器輸入監(jiān)視VIN處的輸入交流波形和VOUT處的直流輸出波形。VOUT應(yīng)該非常接近VIN的峰值?，F(xiàn)在用小得多的4.7 μF電容替換220 μF大電容。觀察VOUT處的波形變化。當(dāng)VOUT的值最接近VIN時，將交流輸入周期的間隔與晶體管M1的柵極電壓進(jìn)行比較。

圖3.使用220 μF電容的VOUT和VIN Scopy圖

圖4.使用4.7 μF電容的VOUT和VIN Scopy圖

示波器通道2連接在分流器（即10 Ω電阻RS）兩端，使用測量特性獲取電流的峰值和平均值。將平均值與2.2 kΩ負(fù)載電阻RL的直流值進(jìn)行比較，后者是根據(jù)VOUT測量電壓計算得出的。對220 μF和4.7 μF電容值重復(fù)此測量。

此電路的其他用途

一個僅允許電流沿一個方向流動且開關(guān)兩端的電壓降非常低的電路，還有其他潛在用途。在電池充電器中，輸入電源可能是間歇性的（例如太陽能電池板或風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)），當(dāng)輸入電源沒有產(chǎn)生足夠高的電壓來為電池充電時，有必要防止電池放電。為此目的一般使用簡單的肖特基二極管，但正如背景部分所指出的，這會導(dǎo)致效率損失。使用工作電源電流足夠低的運算放大器時，其電流通常可以低于大肖特基二極管的反向漏電流。