DE3245442C2

DE3245442C2 -

Info

Publication number: DE3245442C2
Application number: DE3245442A
Authority: DE
Inventors: Takayoshi Makabe; Yoshiaki Tokio/Tokyo Jp Kuraishi; Tadakatsu Kodaira Tokio/Tokyo Jp Kimura
Original assignee: NEC Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NEC CORP. NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE CORP., TO
Priority date: 1981-12-09
Filing date: 1982-12-08
Publication date: 1988-06-09
Also published as: US4571502A; JPS5899816A; DE3245442A1; CA1196953A

Description

Die Erfindung geht aus von einem in einen integrierten Schaltkreis integrierbaren Vollweggleichrichter.

Vollweggleichrichter (Zweiweggleichrichter oder Vollwellengleichrichter) zum Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom bestehen üblicherweise aus einer Diodenbrücke. Bei einem Vollweggleichrichter in Brückenschaltung besteht das Problem, daß eine ausreichende Gleichrichtung aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung, der durch die vier Dioden des Schaltkreises verursacht wird, nicht erreicht werden kann. Um diesen unerwünschten Spannungsabfall zu eliminieren, wird in dem Aufsatz "Precision Rectification" von D. Bowers in "Electronic Engineering", S. 71-84, Juni 1980 ein anderer Vollweggleichrichter mit einem Operationsverstärker (Op-Amp.) be schrieben.

Der in Fig. 6 auf Seite 77 des Aufsatzes von Bowers beschriebene Gleichrichter weist einen Operationsverstärker A 1, eine mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A 1 verbundene Diode D 1, Widerstände R₁ und R₂ zum Einstellen der Verstärkung des Operationsverstärkers A 1 sowie einen Lastwiderstand R _L auf. Da jedoch dieser Gleichrichter noch eine Diode D 1 am Ausgang des Operationsverstärkers A 1 für die Schaltfunktion benötigt, ergibt sich durch die Diode ein erheblicher Spannungsabfall mit unzureichender Gleichrichtung. Außerdem verhindert die Verwendung der Diode D 1 die Herstellung des Gesamtschaltkreises in Form eines integrierten Schaltkreises in MOS-Technik, was zu einem voluminösen Gleichrichter führt. In Fig. 4 desselben Aufsatzes sind zur Verstärkungseinstellung des Operationsverstärkers zwei gleiche Widerstände zwischen dem Eingang des Gleichrichters und dem invertierenden Eingang des OP-Verstärkers bzw. zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des OP-Verstärkers vorgesehen. Die beiden Dioden am Ausgang des OP-Verstärkers ermöglichen keinen Aufbau als integrierten Schaltkreis in MOS-Technik.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen für die MOS-Integrationstechnik geeigneten Vollweggleichrichter mit großem Gleichrichterbereich zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungs form,

Fig. 2 eine Kennlinie des Drain-Stroms (I _D ) in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung (V _GS ) eines erfindungsgemäß verwendbaren Feldeffekttransistors (FET),

Fig. 3 eine Gleichrichterkennlinie der erfindungsgemäßen Ausführungsform und

Fig. 4 eine Gleichrichterkennlinie eines bekannten Gleich richters.

Der erfindungsgemäße Gleichrichter gemäß Fig. 1 weist einen Gleichrichtereingang 1, dem eine Wechselspannung zugeführt wird, einen Gleichrichterausgang 2 zum Abgeben einer gleichgerichteten Gleichspannung, einen Operationsverstärker 8 mit invertierendem Eingang 3, einem nichtinvertierenden, geerdeten Eingang 4 und einem Ausgang 5, einen MOS-FET 10 vom Verarmungstyp, der für den Umschaltvorgang auf den Ausgang des Operationsverstärkers 8 anspricht, sowie eine Einrichtung zum Einstellen der Gleichrichterverstärkung (Widerstände 9 und 11) auf.

Gemäß Fig. 2 zeigt eine V _GS-I _D-Kennlinie des MOS-FET 10 deutlich, daß letzterer nur dann einen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung verursacht, wenn V _GS gleich oder größer ist als Null, um einen Drain-Strom I _D gleich oder größer als I _{D 1} zu erzeugen. Daher wird bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform der FET 10 im Bereich von negativer V _GS be trieben. Die Verstärkung (oder das Verhältnis von Ausgangs zu Eingangs-Signal) des vorliegenden Vollweggleichrichters wird auf "1" eingestellt, indem die beiden Widerstände 9 und 11 den gleichen Widerstandswert aufweisen. Der Opera tionsverstärker 8 wird an seinen Anschlüssen 6 bzw. 7 mit den Betriebsspannungen V _DD und V _SS gemäß Fig. 3 von einer nicht dargestellten Gleichstromquelle versorgt.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Gleichrichters wird mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 erläutert.

An den Anschlüssen 6 und 7 des Operationsverstärkers 8 seien die Spannungen V _DD bzw. V _SS, die Eingangs- und Ausgangsspan nungen des Gleichrichters seien V _in bzw. V _out, die Spannung an dem Verbindungspunkt 3 zwischen den Widerständen 9 und 11 sei V₁, die Drain-Spannung des MOS-FET 10 sei V _DD, die Widerstandswerte der Widerstände 9 und 11 sei R, und der Widerstandswert des Lastwiderstandes 12 sei R _L. Wenn die Ver stärkung und die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers 8 unendlich sind, so erreicht die Ausgangsspannung V₂ des Ope rationsverstärkers 8 einen entsprechend negativen Wert klei ner als eine Gate-Source-Spannung (-V _TH) gemäß Fig. 2, wenn die Eingangsspannung V _in positiv ist (V _in<0), so daß der MOS-FET 10 gesperrt wird. Wenn daher der Widerstand R _L aus reichend größer ist als der Widerstand R, so ergibt sich die Eingangsspannung V _in direkt als Ausgangsspannung V _out, d. h. V _in=V _out.

Wenn andererseits die Eingangsspannung V _in negativ ist (V _in<0), so erreicht der Operationsverstärkerausgang V₂ einen entsprechend positiven Wert, um den MOS-FET 10 in den leitenden Zustand zu versetzen. Wegen der unendlichen Eingangsimpedanz des Ver stärkers 8 kann in diesem Fall das Kirchhoff′sche Gesetz auf den Verbindungspunkt 3 angewendet werden, so daß man die folgende Gleichung erhält:

wobei I _A und I _B = Ströme durch die Widerstände 9 bzw. 11.

Da der Strom

der durch den Widerstand 11 fließt, gleich der Summe der durch den MOS-FET 10 und den Lastwiderstand 11 fließenden Ströme ist, ist die Gleichung (1) folgendermaßen zu modifizieren:

Gemäß Seite 125 des Buches "MOS Field Effect Transistors and Integrated Circuits" von Paul Richman, 1973, John Wiley & Sons, Inc., wird I _T folgendermaßen ausgedrückt:

I _T = 1/2 µ C _ox W/L [2(AV₁-V _out-V _T ) (V _DD-V _out )-(V _DD-V _out)²] (3)

wobei
A= Verstärkung des Operationsverstärkers µ= Ladungsmobilität C _ox= Gate-Kapazität pro Einheitsfläche W= Gate-Breite L= Gate-Länge V _T= Schwellenspannung eines MOS-FET.

Falls R _L » R ist, kann die Gleichung (2) folgendermaßen modifiziert werden:

Wenn die Verstärkung A in Gleichung (4) unendlich ist, kann die Gleichung (4) folgendermaßen umgeschrieben werden:

V ² _out = (V _in-V _DD ) V _out-V _DD V _in = 0 (5)

Aus Gleichung (5) erhält man die Ausgangsspannung
V _out zu V _out = -V _in (6)

Aus Gleichung (6) ergibt sich, daß der Gleichrichter gemäß Fig. 1 eine gleichgerichtete Spannung gleich der Eingangsspannung am Ausgang 2 erzeugt, selbst wenn die Eingangsspannung negativ ist.

Ersichtlich kann die vorliegende Erfindung angewendet werden, wenn ein Wechselstrom als Eingang am Anschluß 1 liegt.

Die erfindungsgemäßen Vorteile ergeben sich insbesondere aus Fig. 4, die eine Gleichrichterkennlinie eines Gleichrichters zeigt, wie er in dem vorstehend erwähnten Aufsatz von Bowers beschrieben ist. Aufgrund des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung V _DF der Diode wird gemäß Fig. 4 die gleichgerichtete Ausgangsspannung gesättigt, wenn die Eingangsspannung V _in über die Summe (V _SS+V _DF ) der negativen Betriebsspannung V _SS und des Spannungsabfalls V _DF ansteigt. Daher ist der Gleichrichterbereich des in dem vorveröffentlichten Aufsatz gezeigten Gleichrichters beschränkt.

Der erfindungsgemäße Vollweggleichrichter ist geeignet für die Herstellung integrierter Schaltkreise in MOS-Technik unter Verwendung eines MOS-FET vom Verarmungstyp, um einen großen Gleichrichterbereich zu erzielen.

Claims

Vollweggleichrichter mit
- a) einem Eingang (1) zum Zuführen eines Wechselstromsignals und einem Ausgang(2) für ein gleichgerichtetes Gleichstrom signal,
- b) einem Operationsverstärker (8) zum Verstärken des Wechselstromsignals mit einem invertierenden Eingang (3), einem nichtinvertierenden, geerdeten Eingang (4) und einem Verstärkerausgang (5), und mit
- c) einer Verstärkungseinstellung für den Gleichrichter mit zwei Widerständen (9, 11) mit gleichem Widerstandswert, wobei der erste Widerstand (9) zwischen Gleichrichtereingang (1) und dem invertierenden Eingang (3) des OP-Verstärkers (8) und der zweite Widerstand (11) zwischen dem invertierenden Verstärkereingang (3) und dem Gleichrichterausgang (2) geschaltet ist, gekennzeichnet durch
- d) einen dem Operationsverstärker (8) nachgeschalteten Verar mungs-MOS-Feldeffekttransistor (10), der je nach Polarität des Eingangssignals als geöffneter Schalter oder als variabler Widerstand arbeitet.