如何使用自供电运算放大器创建低泄漏整流器

作者： Martin Tomasz

您可以将一个精心挑选的运算放大器、一个低阈值 P 沟道 MOSFET 和两个反馈电阻结合起来，制成正向压降比二极管小的整流器电路（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。该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。该电路在压降低至 0.8V 时提供有源整流。在较低电压下，MOSFET 的体二极管作为普通二极管接管。

该电路模拟了一个整流器，但它的正向压降为 40 mV 或更小。该电路的反向泄漏比肖特基二极管少。

当输入和输出电压之间产生正向电压时，运算放大器电路会根据以下公式打开 MOSFET：

当输入和输出电压之间产生正向电压时，运算放大器电路会根据以下公式打开 MOSFET：

其中 VDS 是漏源电压，VGS 是栅源电压。结合这些方程，将 MOSFET 的栅极驱动与漏源电压的函数联系起来：

如果您使 R2 的值比 R1 大 12 倍，则 MOSFET 漏源电压上的 40 mV 压降足以在低漏电流下开启 MOSFET（图 5）。您可以选择更高的比率，以在运算放大器最坏情况下输入失调电压 6 mV 的限制范围内进一步降低压降。运算放大器由输出存储电容器 C1 供电。该放大器具有轨到轨输入和输出，并且在接近轨运行时没有相位反转。该放大器在低至 0.8V 的电源电压下工作。您直接将运算放大器的同相输入连接到 VDD 轨，将放大器的输出连接到 MOSFET 的栅极。该电路在对 100Hz 正弦波进行主动整流时消耗略多于 1μA，比大多数肖特基二极管的漏电流小。

具有正弦波输入（黄色）的电路（绿色）的输出表明，仅当输入到输出的差分小于 40 mV 时，FET 的栅极电压（蓝色）才会下降。

运算放大器的带宽将电路限制为低频信号。在带宽高于 500 Hz 时，放大器的增益开始下降。随着信号频率的增加，MOSFET保持关断，MOSFET的体二极管接管整流功能。具有快速下降时间的输入可能会以通过 MOSFET 的反向电流拖拽输出。然而，对于小电流，MOSFET 在其亚阈值范围内工作。由于在亚阈值范围内栅源电压与漏源电流呈指数关系，放大器会迅速关闭。限制因素是放大器 1.5V/msec 的压摆率。只要您的电路负载不至于将 MOSFET 驱动到其线性范围，反向电流就不会超过正向电流。

您可以在微功率太阳能收集应用中使用该电路（图 6）。根据光线的不同，BPW34 电池在 0.8 至 1.5V 的电压下产生 10 至 30 μA 的电流。有源二极管电路在光线快速变化的条件下对峰值采集电压进行整流，并最大限度地减少对电池的反向泄漏。

您可以使用有源整流器电路为太阳能电池的电容器充电。整流器具有低电压降，可在无光时保护电池免受反向电流的影响。