目標

　　本實驗活動的目標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和反饋環路，以合成一個正向壓降低于傳統PN結二極管的單向電流閥或整流器。

　　背景知識

　　電源使用傳統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行整流。標準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，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熱量可能相當大。

　　肖特基二極管的較低正向電壓是對標準二極管的改進。但是，肖特基二極管同樣有一個內置的固定正向電壓。利用FET較低的傳導損耗，與輸入交流波形同步地主動開關MOSFET器件以模仿二極管，可以實現更高的效率。有源整流常被稱為同步整流，是指根據極性在交流波形的適當時間點開關FET器件，因此它可充當整流器，僅在所需方向上傳導電流。

　　與結型二極管的情況不同，FET的傳導損耗取決于導通電阻（R_DS（ON））和電流。選擇低R_DS（ON）的足夠大FET可將正向壓降降低到任何二極管所能實現的壓降的一小部分。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FET的柵極信號，因此相比基于二極管的整流器，電路設計更為復雜。與必須去除二極管所產生熱量而增加的復雜性相比，這種復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主動學習模塊

　　▲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

　　在試驗板上構建圖1所示的簡易半波整流器電路。有源柵極驅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V_OUT（在正值方向上），進而接通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V_IN大于V_OUT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）：

　　V_GATE為M1柵極的電壓。

　　V_IN為交流輸入電壓。

　　V_OUT為C1和R_L處的輸出電壓。

　　輸入和輸出電壓可以與PMOS的漏源電壓V_DS和柵源電壓V_GS關聯起來，公式如下：

　　將這些方程組合起來，便可得到MOSFET柵極驅動與漏源電壓的函數關系：

　　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增益相位反轉。運算放大器的帶寬限制了電路的頻率響應。為了提高效率，該應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 ?A。

　　硬件設置

　　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V_IN，應配置為幅度大于6 V峰峰值、零偏移和100 Hz頻率的正弦波。示波器輸入用于監視電路周圍的各個點，例如V_IN、V_OUT、R_S兩端的電壓，以及通過R_S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，因此請務必將正極和負極正確連接到電路。

　　使用兩個示波器輸入監視V_IN處的輸入交流波形和V_OUT處的直流輸出波形。V_OUT應該非常接近V_IN的峰值。現在用小得多的4.7 μF電容替換220 μF大電容。觀察V_OUT處的波形變化。當V_OUT的值最接近V_IN時，將交流輸入周期的間隔與晶體管M1的柵極電壓進行比較。

　　圖3.使用220μF電容的V_OUT和V_IN Scopy圖

　　圖4.使用4.7 μF電容的V_OUT和V_IN Scopy圖

　　示波器通道2連接在分流器（即10 Ω電阻R_S）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負載電阻RL的直流值進行比較，后者是根據V_OUT測量電壓計算得出的。對220  μF和4.7  μF電容值重復此測量。

　　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力渦輪發電機），當輸入電源沒有產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。

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