CN2549645Y - 全波整流电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于基本电路设计技术领域，涉及一种全波整流电路；包括MOS晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6和电容器C4、C5；其中，M2和M4、M6的栅连接到T的次级线圈，M1、M3的栅连接到VDD，M5的栅连接到VSS，M1、M2和M3的衬底连接在一起形成公共节点(VN1)，M4、M5和M6的衬底连接在一起形成另一个公共节点(VN2)；本实用新型利用附加电容进行电荷转运，减小C处于单纯放电状态的时间，使在整流管截止时也能实现对电容C的充电，且电路结构较为简单。
Description
本实用新型是一件分案申请，原申请题为《半波整流电路》，申请号为01259065.7，申请日为01.09.14。本申请是根据审查员的要求提出的。
技术领域
本实用新型属于基本电路设计技术领域，特别涉及全波整流电路的改良。
背景技术
单相整流电路一般可分为全波、半波和桥式整流电路等结构形式，可用于直流转换和通信信号的恢复。其中半波整流电路结构形式最为简单。简单的半波整流电路如图1所示，图中的变压器T的作用是将交流电压变换至整流电路所需的数值。D为整流元件，一般为晶体二极管，C为滤波电容也是用作直流电源时的储能元件，RL为等效负载。在变压器次级电压的某一半周期，二极管导通，电容C被充电，流过二极管D的电流等于电容C的充电电流与负载电流之和，在二极管截止期间，电容C对负载电容放电。如果放电时间常数比较大(通常是这样)，远大于电源电压的一个周期，这样在加电的前几个周期内，电容C上的平均电压将呈上升趋势。随着C上平均电压的升高，电路将在一个交流信号周期内达到充放电电荷相等的动态平衡状态，从而实现了一个有波动的直流输出，完成了整流。这种简单的半波整流电路的性能很不理想，主要表现在该整流电路对滤波电容的充电仅发生在交变电压的一个半周期内，转换速度和效率不高；即使在半周期中，也不是一直在充电。从而C存在纯放电状态，由于没有相应的充电电流进行补偿，使得C上电压在初始阶段上升较慢，稳态输出电压的纹波较大。也同样是由于负载的放电效应将使得包络检波的灵敏度大为降低。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对半波整流电路的以上不足之处，设计出一种改进的全波整流电路，利用附加电容进行电荷转运，减小C处于单纯放电状态的时间，使在整流管截止时也能实现对电容C充电的半波整流电路的基础上实现全波整流，且电路结构较为简单。
本实用新型利用的一种半波整流电路，包括变压器T或电感线圈L1和滤波电容器C，其特征在于，还包括三个PMOS晶体管M1、M2、M3，各元器件的连接关系为：M1作为整流二极管，M1的栅极和漏极短接连到电源输出正端VD，M1的源极连到变压器或互感线圈的次级的正端VB；M2的源极连到VB，它的栅连接VD；M1、M2、M3的衬底及M2的漏极和M3的源极连在一起形成公共节点VN；M3的栅极连到VB；所说的电容器C的一端与电源输出正端VD相连，另一端连到变压器或互感线圈的次级的负端VA。负载电阻RL连到VD与VA之间。
本实用新型以上述电路为基础，提出一种全波整流电路，包括变压器T或电感线圈L1，其特征在于，还包括MOS晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6和电容器C4、C5；其中，VA和VB为变压器T的次级线圈或电感线圈L1的负、正端，节点VDD为输出电源的正电压，VSS为输出负电源电压节点，各元件的连接关系为：C4连接在VDD和VA之间，C5连接在VA和VSS之间，M2和M4、M6的栅连接到VB，M1、M3的栅连接到VDD，M5的栅连接到VSS，M1、M2和M3的衬底连接在一起形成公共节点VN1，M4、M5和M6的衬底连接在一起形成另一个公共节点VN2；M2连接在VDD和VN1之间，M3连接在VN1和VB之间，M1连接在VDD和VB之间，M4连接在VB和VSS之间，M5连接在VN2和VB之间，M6连接在VN2和VSS之间。
本实用新型的电路结构以较简单的形式提高了全波整流电路的性能参数，其输出电压上升较快，纹波因数较小，脉动系数和整流效率较大，由其恢复的包络失真较小。这种改进电路可广泛用于构成射频卡的直流电源产生(变压器由天线谐振电路代替)、调幅信号的包络检波电路等。
附图说明
图1为一种常规的半波整流电路结构示意图。
图2为本实用新型用CMOS工艺实现的半波整流电路结构实施例1示意图。
图3为为本实施例的PMOS晶体管芯片剖面图。
图4为本实用新型用CMOS工艺实现的半波整流电路结构原理分析示意图。
图5为分析本实用新型电路原理所作的模拟结果波形图。
图6为本实施例1的电路与去除M2，M3管仅用M1作为整流管的电路仿真结果比较示意图；
其中曲线L1为本实施例的结果，L2为仅用M1作为整流管的电路仿真结果。
图9为本实用新型用CMOS工艺实现的全波整流电路结构实施例4示意图。
具体实施方式
本实用新型用CMOS工艺实现的一种半波及全波整流电路结构实施例结合附图详细说明如下：
本实用新型的半波整流电路实施例的电路结构如图2所示。该电路包括：变压器或互感线圈，PMOS晶体管M1、M2、M3，滤波电容C，负载电阻RL。在此电路中晶体管M1采用PMOS管栅源短接的方式来等效二极管，增加了PMOS管M2，M3。
各元器件的连接关系为：变压器或互感线圈的次级两端的电压为V1，V1的正端称为VB，其负端称为VA。M1、M2、M3为PMOS晶体管。M1作为整流二极管，M1的栅极和漏极短接连到电源输出正端(VD节点)，M1的源极连到VB。M2的源极连到VB，它的栅连接VD。M1、M2、M3的衬底及M2的漏极和M3的源极连在一起形成公共节点VN。M2的栅极连到VD，M3的栅极连到VB。电容器C的一端与正端VD相连，另一端连到VA。负载电阻RL连到VD与VA之间。图中，V2为VN到VA的电压。
图3为PMOS晶体管芯片剖面图。图3中上端字母对应电路图2中的各节点。根据图2的说明，影响电荷转运的寄生电容有三个：VB与VN(N阱)之间的PN结电容C1，VD与VN之间的PN结电容C2，及VN与P衬底(VA)之间的PN结电容C3。
本半波整流电路实施例的工作原理：设变压器次级线圈一端VA为公共参考点，变压器次级线圈两端电压为V1，电容C两端电压为Vo，假定PMOS管M1、M2和M3的开启电压均为Vth(＜0)，则在V1的某半周期内，若V1-V2＞|Vth|，则M1即处于饱和导通状态，对C进行充电，反之则M1截止，从而实现了图1所示常规的半波整流电路的功能。在此基础之上本实施例增加PMOS管M2，M3，M2、M3的机理及其作用为：将M2、M3的衬底与其公共端相连，利用该节点的寄生电容完成电荷的储存与转运。由于P衬底应接电路的最低电位，VA短接，所以C3即并联在VN与VA之间。当交流信号的某半周期V1-Vo＞|Vth|，M2导通(当然M1也导通)，此时通过M2的电流向C3充电，如果C3＜C，则在M2与M1尺寸相同的情况下，C3与C的充电电流近似相等，C3要远小于C，C3不存在放电负载，因此可在M2尺寸较小的情况下满足V2大于Vo。V1为交变信号，当V1减小至V2-V1＞|Vth|时，M1与M2截止，则M3导通。由于V2＞Vo，因此C3上的电荷通过M3向C上转移，补偿电容C因负载电阻的放电引起的电压下降，从而达到减小电压波动的目的，在加电的初始阶段由于C3可以通过M3向C进行充电，因此可以加快Vo的上升过程。在拖动较大负载时，利用该结构进行电荷储运可以增大对电容C的平均充电电流，从而使得稳态时Vo的直流平均值升高，提高了转换效率。
对于电容C2，在M2导通时，由于向VN节点充电，故该节点电位升高，从而通过C2抬高了VD点的电位；当M3导通时，C2上积累的电荷在两个极板上重新分配，从电位高的极板向电位低的极板转移，同样可以起到和电容C3一样的作用，但它的效果不如C3显著。
本半波整流电路实施例的原理分析所用的电路结构如图4所示，其与该实施例的不同点是将三个小电容放到实施例1的三个寄生电容等效相同的位置，同样可实现实施例1类似的功能。具体结构的一个例子是直接将三个3PF的电容Cp分别并联在VN与VA、VN与VD、VN与VB之间，其效应分别等效于C3，C2，C1。相应的输出电压曲线如图5所示，分别对应为La，Lb，Lc，由该模拟结果可以看到加大C3，得到的输出电压La有最好的曲线的平滑度，小的纹波因数，高的整流效率。
上述半波整流电路实施例的电路与去除M3，M2管仅用M1作为整流管的电路仿真结果比较如图6所示。其中曲线L1为本实施例的结果，L2为仅用M1作为整流管的电路仿真结果。可知，含有M1，M2管结构的电路输出电压(曲线L1)比无M1，M2管的电路的输出电压(曲线L2)上升较快，纹波因数较小，脉动系数和整流效率较大，可见本实施例电路结构以较简单的形式提高了半波整流电路的性能参数。这种改进电路可广泛用于构成射频卡的直流电源产生(变压器由天线谐振电路代替)、调幅信号的包络检波电路(由其恢复的包络失真较小)等。
上述半波整流电路实施例电路技术可以推广到全波整流电路的结构，工作原理与半波整流相同，同样可以起到改善全波整流电路性能的效果。
本实用新型的全波整流电路实施例电路结构如图7所示，该电路由上述半波整流电路扩展为全波整流的形式：包括变压器T或电感线圈L1其特征在于，还包括MOS晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6和电容器C4、C5；其中，VA和VB为变压器T的次级线圈或电感线圈L1的负、正端，节点VDD为输出电源的正电压，VSS为输出负电源电压节点，各元件的连接关系为：C4连接在VDD和VA之间，C5连接在VA和VSS之间，M2和M4、M6的栅连接到VB，M1、M3的栅连接到VDD，M5的栅连接到VSS，M1、M2和M3的衬底连接在一起形成公共节点VN1，M4、M5和M6的衬底连接在一起形成另一个公共节点VN2；M2连接在VDD和VN1之间，M3连接在VN1和VB之间，M1连接在VDD和VB之间，M4连接在VB和VSS之间，M5连接在VN2和VB之间，M6连接在VN2和VSS之间。
本实施例可根据具体电路的指标来确定电路中各个元件的具体参数。
Claims (1)
1、一种全波整流电路，包括变压器(T)或电感线圈(L1)，其特征在于，还包括MOS晶体管(M1)、(M2)、(M3)、(M4)、(M5)、(M6)和电容器(C4)、(C5)；其中，电容器(C4)连接在输出电源的正电压端(VDD)和变压器(T)的次级线圈或电感线圈(L1)的负端(VA)之间，电容器(C5)连接在变压器(T)的次级线圈或电感线圈(L1)的负端(VA)和输出电源负电压端(VSS)之间，晶体管(M2)和(M4)、晶体管(M6)的栅连接到变压器T的次级线圈或电感线圈(L1)的正端(VB)，晶体管(M1)、晶体管(M3)的栅连接到输出电源的正电压端(VDD)，晶体管(M5)的栅连接到输出电源负电压端(VSS)，晶体管(M1)、(M2)和(M3)的衬底连接在一起形成公共节点(VN1)，晶体管(M4)、(M5)和(M6)的衬底连接在一起形成另一个公共节点(VN2)；晶体管(M2)连接在输出电源的正电压端(VDD)和公共节点(VN1)之间，晶体管(M3)连接在公共节点(VN1)和变压器(T)的次级线圈或电感线圈(L1)的正端(VB)之间，晶体管(M1)连接在输出电源的正电压端(VDD)和变压器(T)的次级线圈或电感线圈(L1)的正端(VB)之间，晶体管(M4)连接在变压器(T)的次级线圈或电感线圈(L1)的正端(VB)和输出电源负电压端(VSS)之间，晶体管(M5)连接在公共节点(VN2)和变压器(T)的次级线圈或电感线圈(L1)的正端(VB)之间，晶体管(M6)连接在公共节点(VN2)和输出电源负电压端(VSS)之间。
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