【導讀】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於傳統PN結二極管的單向電流閥或整流器。

背景知識

電(dian)源(yuan)使(shi)用(yong)傳(chuan)統(tong)二(er)極(ji)管(guan)整(zheng)流(liu)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)以(yi)獲(huo)得(de)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)時(shi)
，必(bi)須(xu)對(dui)某(mou)些(xie)本(ben)身(shen)效(xiao)率(lv)低(di)下(xia)的(de)部(bu)分(fen)進(jin)行(xing)整(zheng)流(liu)。標(biao)準(zhun)二(er)極(ji)管(guan)或(huo)超(chao)快(kuai)速(su)二(er)極(ji)管(guan)在(zai)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)時(shi)可(ke)能(neng)具(ju)有(you)1 V或huo更geng高gao的de正zheng向xiang電dian壓ya。二er極ji管guan的de該gai正zheng向xiang壓ya降jiang與yu交jiao流liu電dian源yuan串chuan聯lian，這zhe會hui降jiang低di潛qian在zai的de直zhi流liu輸shu出chu電dian壓ya。此ci外wai，該gai壓ya降jiang與yu通tong過guo二er極ji管guan提ti供gong的de電dian流liu的de乘cheng積ji意yi味wei著zhe功gong耗hao和he發fa熱re量liang可ke能neng相xiang當dang大da。

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的傳導損耗取決於導通電阻(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，有助於提高整體效率。

由於必須同步用於開關FETdezhajixinhao，yincixiangbijiyuerjiguandezhengliuqi，dianlushejigengweifuza。yubixuquchuerjiguansuochanshengreliangerzengjiadefuzaxingxiangbi，zhezhongfuzaxingchangchanggengrongyichuli。suizhexiaolvyaoqiubuduantigao
，henduoqingkuangxiameiyoubishiyongtongbuzhengliugenghaodexuanze。

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於輸出電壓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大於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係：

如果R2的值是R1的21倍(1 MΩ/47 kΩ)，則M1漏源電壓V_DS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(gong)電(dian)，因(yin)此(ci)不(bu)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)電(dian)源(yuan)。對(dui)於(yu)為(wei)該(gai)電(dian)路(lu)選(xuan)擇(ze)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)有(you)一(yi)定(ding)的(de)要(yao)求(qiu)。放(fang)大(da)器(qi)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)軌(gui)到(dao)軌(gui)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)，並(bing)且(qie)在(zai)電(dian)源(yuan)軌(gui)附(fu)近(jin)工(gong)作(zuo)時(shi)不(bu)會(hui)出(chu)現(xian)增(zeng)益(yi)相(xiang)位(wei)反(fan)轉(zhuan)。運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)帶(dai)寬(kuan)限(xian)製(zhi)了(le)電(dian)路(lu)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)，該(gai)應(ying)用(yong)常(chang)常(chang)選(xuan)擇(ze)低(di)電(dian)源(yuan)電(dian)流(liu)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)，因(yin)此(ci)帶(dai)寬(kuan)和(he)壓(ya)擺(bai)率(lv)一(yi)般(ban)較(jiao)低(di)。在(zai)較(jiao)高(gao)交(jiao)流(liu)輸(shu)入(ru)頻(pin)率(lv)（可能高於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，並且電源電流低至僅45 µA。

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，應配置為幅度大於6 V峰峰值
、零偏移和100 Hz頻率的正弦波。示波器輸入用於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220 µF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R_L的直流值進行比較，後者是根據V_OUT測量電壓計算得出的。對220 µF和4.7 µF電容值重複此測量。

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dang輸shu入ru電dian源yuan沒mei有you產chan生sheng足zu夠gou高gao的de電dian壓ya來lai為wei電dian池chi充chong電dian時shi，有you必bi要yao防fang止zhi電dian池chi放fang電dian。為wei此ci目mu的de一yi般ban使shi用yong簡jian單dan的de肖xiao特te基ji二er極ji管guan，但dan正zheng如ru背bei景jing部bu分fen所suo指zhi出chu的de，這zhe會hui導dao致zhi效xiao率lv損sun失shi。使shi用yong工gong作zuo電dian源yuan電dian流liu足zu夠gou低di的de運yun算suan放fang大da器qi時shi，其qi電dian流liu通tong常chang可ke以yi低di於yu大da肖xiao特te基ji二er極ji管guan的de反fan向xiang漏lou電dian流liu。

問題：

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