本实验的目标是研究有源整流器电路。具体来说，有源整流器电路集成了操作放大器和低阈值P通道MOSFET与反馈环合成正压降低于传统PN单向电流阀或整流器结二极管。

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背景知识

当电源使用传统二极管整流交流电压获得直流电压时，必须对一些低效部件进行整流。标准二极管或超快速二极管在额定电流中可能有1 V或更高的正电压。二极管的正压降与交流电源串联，降低潜在的直流输出电压。此外，压降和二极管提供的电流的乘积意味着功耗和热量可能相当大。

小特基二极管的低正向电压是对标准二极管的改进。但肖特基二极管也有内置固定正向电压。利用FET传导损耗低，主动开关与输入交流波形同步MOSFET模仿二极管的装置可以达到更高的效率。有源整流通常称为同步整流，是指根据极性在交流波形的适当时间点开关FET因此，它可以作为整流器，只在所需方向传导电流。

不同于结型二极管，FET导电阻的导电损耗取决于导电阻(RDS(ON))和电流。选择低RDS(ON)的足够大FET正向压降可以降低到任何二极管可以实现的压降的一小部分。因此，同步整流器的损耗将远低于二极管，这有助于提高整体效率。

开关必须同步用于开关FET的栅极信号，因此相比基于二极管的整流器，电路设计更为复杂。与必须去除二极管所产生热量而增加的复杂性相比，这种复杂性常常更容易处理。随着效率要求不断提高，很多情况下没有比使用同步整流更好的选择。

材料

● ADALM2000 主动学习模块

● 无焊试验板

● 跳线

● 具有轨到轨输入/输出的轨到轨输出 AD8541 CMOS运算放大器

● 一个ZVP2110A PMOS晶体管(或等效元件)

● 一个4.7 μF电容

● 一个220 μF电容

● 一个10 Ω电阻

● 一个2.2 kΩ电阻

● 一个47 kΩ电阻

● 一个1 kΩ电阻

说明

在试验板上构建图1所示的简单半波整流器电路。使用有源栅极驱动电路放大器(AD8541)检测来自AWG输出的交流输入波形何时高于输出电压VOUT(在正方向)，然后连接PMOS晶体管M1。该电路可以低到计算放大器的最小电源电压（AD8541为2.7 V）或PMOS极阈值电压（ZVP2110A典型值为1.5 V）提供有源整流的交流电压。在较低的输入电压下，MOSFET背栅极度漏极二极管接管，充当普通二极管整流器。

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图1.有源半波整流器采用自供电操作放大器

图2.有源半波整流器采用自供电操作放大器试验板电路

当VIN大于VOUT操作放大器将连接PMOS晶体管的公式如下：

(电压以地为基准):

VGATE为M格栅极的电压。

VIN输入电压进行交流。

VOUT为C1和RL输出电压。

可与输入输出电压相匹配PMOS的漏源电压VDS和栅源电压VGS关联起来，公式如下：

通过组合这些方程，可以得到它们MOSFET栅极驱动与泄漏电压的函数关系：

如果R2的值是R1的21倍(1 MΩ/47 kΩ)，则M1漏源电压VDS上的75 mV压降足以导通阈值电压1.5 V的PMOS晶体管。R2与R1的比例可以更大，从而降低输入到输出电压或支持阈值电压更高的晶体管。

操作放大器输出平整电容器C供电，所以不需要额外的电源。对电路选择的操作放大器有一定的要求。放大器必须有轨到轨的输入和输出，在电源轨附近工作时不会出现增益相反转。操作放大器的带宽限制了电路的频率响应。为了提高效率，该应用程序通常选择低电源电流操作放大器，因此带宽和压摆率一般较低。在较高交流输入频率（可能高于500 Hz）放大器的增益将开始下降。AD8541单电源CMOS操作放大器满足所有这些要求，电源电流低至45 μA。

硬件设置

有源半波整流器试验板采用自供电操作放大器连接。

程序步骤

AWG1连接为VIN，应配置为幅度大于6 V峰值，零偏移和100 Hz正弦波频率。示波器输入监控电路周围的各个点，如VIN、VOUT、RS两端的电压，以及通过RS和M网格极的电流。

开始时，C1使用220 μF大电容。220 μF和4.7 μF所有的电容都是极化的，所以请务必正确地将正极和负极连接到电路上。

使用两个示波器输入监控VIN输入交流波形和VOUT直流输出波形。VOUT应该很近VIN峰值。现在用的是小得多的4.7 μF电容替换220 μF大电容VOUT波形变化VOUT的值最接近VIN交流输入周期与晶体管之间的间隔M比较1的栅极电压。

图3.使用220 μF电容的VOUT和VINScopy图

图4.使用4.7 μF电容的VOUT和VINScopy图

分流器连接示波器通道2(即10) Ω电阻RS）在两端，通过测量特性获得电流的峰值和平均值。平均值和2.2 kΩ负载电阻RL比较直流值，后者是基于VOUT计算出测量电压。 μF和4.7 μF重复此测量电容值。

其电路的其他用途

只允许电流沿一个方向流动，开关两端的电压降很低，还有其他潜在用途。在电池充电器中，输入电源可能是间歇性的（如太阳能电池板或风力涡轮发电机）。当输入电源没有产生足够高的电压来充电电池时，有必要防止电池放电。简单的肖特基二极管通常用于这一目的，但正如背景所指出的，这将导致效率损失。当使用工作电源电流足够低的操作放大器时，其电流通常低于大肖特基二极管的反向泄漏电流。