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用自供电的运放建立一个低泄漏整流器

Martin Tomasz 加州旧金山Sageloop设计公司?? 2011年12月30日 ?? 收藏1
用一只精心挑选的运放、一个低阈值的P沟道MOSFET,以及两只反馈电阻,就可以做出一个正向压降小于二极管的整流电路(图1)。整流后的输出电压为有源电路供电,因此不需要额外的电源。电路的静态电流低于大多数肖特基二极管的反向泄漏电流。本电路可在压降低至0.8V时提供有源整流。在更低电压下,MOSFET的体二极管变成为一个普通二极管。

图1,电路模拟了一个整流器,但其正向压降只有40mV或更低。电路的反向泄漏小于肖特基二极管。
图1,电路模拟了一个整流器,但其正向压降只有40mV或更低。电路的反向泄漏小于肖特基二极管。

当输入与输出电压之间有正电压时,运放电路使MOSFET导通,如下式:

VGATE=VOUT-(R2/R1)(VIN-VOUT),

其中,VGATE是MOSFET的栅极驱动电压,VIN为输入电压,VOUT为输出电压。输入与输出电压可以转换为MOSFET的漏源电压和栅源电压,如下式:

VDS=VIN-VOUT,且VGS=VGATE-VOUT,

其中,VDS为漏源电压,VGS为栅源电压。将这些式子结合起来,可得到MOSFET栅极驱动电压是漏源电压的函数:

VGS=-(R2/R1)VDS,

如果使R2为R1的12倍,则MOSFET漏源电压上的一个40mV压降就足够以小的漏极电流使MOSFET导通(图2)。选择更高的比率可以进一步减小压降,使之处于运放的6mV最差输入偏移电压极限范围内。运放由输出储能电容C1供电。放大器有轨至轨的输入和输出,当在接近电源轨处工作时没有相位逆转问题。放大器的工作电压低至0.8V。运放的非反相端直接连接到VDD轨,放大器的输出连接到MOSFET的栅极。电路在100Hz正弦波的有源整流时,耗电略高于1μA,泄漏电流小于大多数肖特基二极管。BSH205在0.8V的栅源电压下,支持毫安级的电流。

图2,正弦波输入(黄色)下的电路输出(绿色),表明只有当输入-输出压差小于40mV时,FET的栅极电压(蓝色)才下降。
图2,正弦波输入(黄色)下的电路输出(绿色),表明只有当输入-输出压差小于40mV时,FET的栅极电压(蓝色)才下降。

运放带宽限制了电路用于较低频率的信号。在带宽大于500Hz时,放大器的增益开始下降。随着信号频率的升高,MOSFET一直保持关断,而MOSFET的体二极管代替完成整流功能。快速下降时间的输入有可能从MOSFET拉出反向电流。不过对于小电流,MOSFET都工作在低于阈值的范围内。由于在低于阈值的范围内,栅源电压对漏源电流有指数关系,放大器会快速关断。限制因素是放大器1.5V/ms 的转换速率。只要电路负载不要太重,致使MOSFET进入其线性区间,则反向电流就不会超过正向电流。

本电路可以用于微功率的太阳能应用(图3)。根据光线的强弱,BPW34电池芯可发电0.8V~1.5V的10μA~30μA。有源二极管电路可在光线快速变化的情况下,对获取的峰值电压做整流,而对电池芯的反向泄漏最低。

图3,这个有源整流电路可以用于太阳能电池给电容的充电。整流器的压降小,当没有光照时能保护电池芯不受反向电流冲击。
图3,这个有源整流电路可以用于太阳能电池给电容的充电。整流器的压降小,当没有光照时能保护电池芯不受反向电流冲击。


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