本實(shí)用新型涉及電路領(lǐng)域及能量收集領(lǐng)域，尤其涉及利用反向二極管, 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管等組成等效二極管來(lái)提高能量轉(zhuǎn)換效率的電路。

背景技術(shù)：
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以肖特基二極管為基礎(chǔ)的整流電路通常被用來(lái)將交流電轉(zhuǎn)換成直流電從而來(lái)收集振動(dòng)能量。然而肖特基二極管的正向?qū)ㄩT(mén)限電壓和正向壓降大約在0.2至0.4伏之間，因此而嚴(yán)重影響了小能量收集系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

近年來(lái)有很多基于場(chǎng)效應(yīng)管的改進(jìn)的二極管等效電路被開(kāi)發(fā)用來(lái)減少正向壓降從而提高轉(zhuǎn)換效率。但是這些電路的正向?qū)ㄩT(mén)限電壓都必須大于0.5伏來(lái)導(dǎo)通場(chǎng)效應(yīng)管。換而言之，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生的電壓少于0.5伏時(shí)，這些改進(jìn)電路沒(méi)有辦法用來(lái)轉(zhuǎn)換振動(dòng)能量。更糟糕的是，這種場(chǎng)效應(yīng)管改進(jìn)的二極管等效電路需要額外的供電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，這導(dǎo)致了電路冷啟動(dòng)問(wèn)題。有一些電路把肖特基二極管和場(chǎng)效應(yīng)管整合在一起來(lái)解決冷啟動(dòng)問(wèn)題。但是所有這些都沒(méi)有解決超低電壓收集的問(wèn)題。沒(méi)有相應(yīng)的元器件或者等效電路可以用來(lái)收集當(dāng)電壓小于0.2伏時(shí)候的能量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種利用場(chǎng)效應(yīng)管和反向二極管來(lái)組成等效二極管來(lái)補(bǔ)償反向二極管雙向?qū)ㄒ越鉀Q超小能量收集的問(wèn)題。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：場(chǎng)效應(yīng)管和反向二極管組成的二極管等效電路，包括二極管等效電路和用于驅(qū)動(dòng)二極管等效電路的驅(qū)動(dòng)電路,所述用于二極管等效電路由N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1、反向二極管D1，驅(qū)動(dòng)電路及二極管等效電路的新陽(yáng)極DA、新陰極DK 構(gòu)成，其中N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1的源極 S連接反向二極管D1 的陽(yáng)極，N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏極 D連接新陰極DK，反向二極管D1 的陰極連接新陽(yáng)極DA ，驅(qū)動(dòng)電路生成MOSG控制信號(hào)來(lái)控制N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1的柵極G。

進(jìn)一步地：所述等效二極管電路的門(mén)限電壓略大于0伏。具體地，所述等效二極管電路的門(mén)限電壓在0至0.05伏之間。

再進(jìn)一步進(jìn)地：所述反向二極管D1為砷化鎵(GaAs)反向二極管或鍺(Ge)反向二極管。

再進(jìn)一步進(jìn)地：所述N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1的閾值電壓小于0V并且其絕對(duì)值應(yīng)等于或者略小于反向二極管正向?qū)ㄩT(mén)限電壓。具體的，所屬等效二極管電路的N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1的閾值電壓在-0.2伏至-1.4伏之間。

更進(jìn)一步地：所述N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏極和反向二極管D1的陰極之間設(shè)置有用來(lái)控制N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1柵極G的驅(qū)動(dòng)電路。具體的，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路生成的MOSG控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)該二極管等效電路的整體伏安特性曲線。

更進(jìn)一步進(jìn)地：所述驅(qū)動(dòng)電路為交流轉(zhuǎn)直流電路。具體地，所述交流轉(zhuǎn)直流電路為可以根據(jù)輸入信號(hào)的頻率、以及具體N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1和反向二極管D1的性能來(lái)選擇不同的倍壓整流電路。

本實(shí)用新型的有益之處是：

1．門(mén)限電壓非常低，幾乎只要大于0伏就可以開(kāi)始將交流轉(zhuǎn)換成直流；

2. 增加耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)修正反向電壓管雙向?qū)▎?wèn)題；

3. 本電路不需要額外的電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有冷啟動(dòng)問(wèn)題；

4. 可以通過(guò)增加一個(gè)倍壓電路或者其他類似的交流轉(zhuǎn)直流整流電路來(lái)更好的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管；并且可以調(diào)節(jié)整體的伏安特性等效二極管特性曲線；

5. 本電路可以由獨(dú)立元器件來(lái)完成，以后也可以設(shè)計(jì)成集成電路。

附圖說(shuō)明：

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1： 二極管等效電路示意圖

圖2： 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管和反向二極管組成的二極管等效電路內(nèi)部示意圖

圖3： 正向偏置的肖特基二極管和反向偏置的反向二極管伏安特性曲線

圖4： 可調(diào)等效二極管伏安特性曲線示意圖

圖5： 測(cè)試用二倍壓二極管等效電路

圖6： 測(cè)試用半波整流電路

圖7： 測(cè)試結(jié)果對(duì)比：輸入電壓幅值為0伏到3伏

圖8： 測(cè)試結(jié)果對(duì)比：輸入電壓幅值為0伏到10伏

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述：

本電路的主要元器件之一是反向二極管，或稱反向隧道二極管，常見(jiàn)反向二極管有砷化鎵（GaAs）和鍺（Ge）兩種，其主要區(qū)別是正向?qū)ǖ拈T(mén)限電壓不同：鍺反向二極管的正向?qū)ǖ拈T(mén)限電壓大約為0.3伏至0.4伏而砷化鎵反向二極管的正向?qū)ㄩT(mén)限電壓可以達(dá)到1伏至1.4伏左右。普通的肖特基二極管正向?qū)ㄩT(mén)限電壓大約為0.2伏至0.4伏。然而反向二極管相對(duì)于肖特基二極管的優(yōu)勢(shì)在于它的反向電流非常大并且?guī)缀鯖](méi)有門(mén)限電壓。所以當(dāng)一般肖特基二極管需要正向偏置的時(shí)候， 為了更大的導(dǎo)通電流，反向二極管需要反向偏置。圖3 是正向偏置的肖特基二極管和反向偏置的反向二極管伏安特性曲線對(duì)比，空心圓圈為肖特基二極管，實(shí)線為反向二極管。由此我們可以看出當(dāng)反向二極管反向偏置的時(shí)候，它幾乎是立即導(dǎo)通而肖特基二極管有一個(gè)0.2伏的門(mén)限電壓。所以反向二極管更時(shí)候收集轉(zhuǎn)換超小能量。然而單獨(dú)使用反向二極管有一個(gè)最大的問(wèn)題是當(dāng)交流電振幅高于0.7伏的時(shí)候，反向二極管會(huì)雙向?qū)ǘ鵁o(wú)法進(jìn)行整流或者對(duì)電容、電池進(jìn)行充電。

為了解決反向二極管雙向?qū)▎?wèn)題，本實(shí)用新型使用了N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1來(lái)補(bǔ)償反向二極管的正向電流。比如，對(duì)于砷化鎵反向二極管而言，由于其正向門(mén)限電壓為1伏至1.4伏左右，該場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓應(yīng)在-0.7伏到-1.4伏之間。當(dāng)砷化鎵反向二極管正向?qū)〞r(shí)，反向二極管上壓降導(dǎo)致了場(chǎng)效應(yīng)管的截止，從而本電路中沒(méi)有電流通過(guò)。當(dāng)反向二極管反向?qū)〞r(shí)，壓降大于0伏，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通從而使本電路導(dǎo)通。對(duì)于鍺反向二極管而言，由于其正向門(mén)限電壓為0.2伏至0.3伏左右，該場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓應(yīng)在-0.1伏到-0.3伏之間，原理同上。

本實(shí)用新型的電路中，可以采用P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管代替N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，同樣也能實(shí)現(xiàn)相同的功能。

本電路同時(shí)還增加了一個(gè)普通的交流轉(zhuǎn)直流電路來(lái)驅(qū)動(dòng)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管（電路圖中用的是倍壓整流電路作為范例)，這個(gè)額外的電路可以更早的導(dǎo)通場(chǎng)效應(yīng)管或者來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)通電壓的閾值從而來(lái)調(diào)節(jié)本電路的等效二極管伏安特性曲線見(jiàn)圖4，以此來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。該電路的元器件選擇應(yīng)根據(jù)具體選擇的反向二極管類型和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)以及信號(hào)源的頻率來(lái)確定。

本電路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和電路：

測(cè)試用二極管等效電路圖見(jiàn)附錄圖5。二倍壓電路（電容C1, C2和肖特基二極管D1, D2)被用來(lái)提供場(chǎng)效應(yīng)管柵極的驅(qū)動(dòng)電壓，可變電阻R被用來(lái)調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管柵極和源極的電壓來(lái)控制等效二極管的伏安特性曲線。選取Infineon BSS139 作為N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管M1，D1為砷化鎵反向二極管。等效二極管新陰極DK接電容c1正極，電容c1 負(fù)極接肖特基二極管D2的陰極和肖特基二極管D3的陽(yáng)極。二極管D2的陽(yáng)極接電容C2的負(fù)極和二倍壓電路的負(fù)載可變電阻R的定片引腳。二極管D3的陰極接電容C2的正極，可變電阻R的另一定片引腳以及二極管等效電路的新陽(yáng)極DA?？勺冸娮鑂的動(dòng)片引腳連接場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。

為測(cè)試和比較本實(shí)用新型電路與肖特基二極管及反向二極管的性能，半波整流電路被用來(lái)作為測(cè)試電路見(jiàn)圖6。信號(hào)發(fā)生器Uin的正極接二極管D1陽(yáng)極，二極管陰極接電容的正極和1k歐姆的負(fù)載電阻的一段。負(fù)載電阻另一端和電容負(fù)極接信號(hào)發(fā)生器負(fù)極接地。

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1K赫茲、幅值從0.05伏到10伏不等的振動(dòng)能源。實(shí)測(cè)了鍺反向二極管，砷化鎵反向二極管，肖特基二極管 B340B 以及使用二倍壓控制的本等效電路（圖5）在1k 歐姆電阻上能收集到的電壓見(jiàn)圖6和圖7。空心圓圈和實(shí)心圓點(diǎn)為反向二極管半波整流電路收集到的電壓，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入電壓幅值大于一定的值以后，由于反向二極管雙向?qū)ǘ鴮?dǎo)致輸出電壓為恒定數(shù)值。實(shí)線為肖特基二極管半波整流在1k 歐姆負(fù)載上測(cè)得的電壓；空心正方形為本等效電路半波整流在1k歐姆負(fù)載上測(cè)得的電壓。直流電功率為電壓的平方除以電阻值P = U^2/R, 對(duì)于同樣阻值的負(fù)載，電壓越高功率越高能量越多?？梢钥闯鲈谳斎腚妷悍滴闯^(guò)7伏之前，本等效電路相對(duì)于肖特基二極管或者反向二極管而言能夠收集更多的能量。

需要強(qiáng)調(diào)的是：以上僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。