模拟电路设计（十八）非线形电路二极管应用（上）

利用二极管(diode)构成的整流电路与检波电路，在上一章节介绍的比较器(comparator)与非线形电路中扮演重要角色。由于二极管不同于电晶体与FET等动态元件，所以一般都认为它的结构与功能都非常单纯，不过实际应用上却经常出现突发状况，因此本文要介绍理想二极管电路与直线检波电路等电路的设计技巧。
 
　 
二极管的基本特性

‧动作原理

一般二极管是用图1(a)的符号表示，并以图1(b)表示它的特性。由图可知电流是从正极(anode)流向负极(cathode)，而且几乎不会逆向流动。图1(a)的理论计算式表示Silicon PN接合型二极管的端子之间电流与电压关系，如图1(b)所示，当理想二极管的阴极(cathode)电压VD低于0V时，它的电流为0A；当VD≥0V时，电流才会流动。

图1 二极管的表示符号与基本特性
　

图2是Silicon PN接合型小信号switching二极管 1SS120，与小信号Shot Key Barrier Diode(以下简称为SBD)1SS108的顺向电流特性。由图可知SBD的顺向电压在1mA以下小电流领域非常小，虽然无法从图2读取详细电流值，不过1SS120的逆电流小到几乎不存在程度，相较之下1SS108的逆电流就非常大。

图2 二极管的顺向特性

‧二极管的特性与用途

二极管的特性与用途随着种类的不同，出现很很大的差异，必需利用实验电路观察二极管的反应特性。此处以图3的电路测试二极管的反应特性；表1是实验电路使用的二极管特性一览；照片1与照片2分别是不同二极管的测试结果。

根本照片1(a)的测试结果显示，当负载阻抗RL=10kΩ时，一般二极体与SBD高速整流用二极管反应特性并无明显差异，所以接着利用RL=1kΩ进行相同测试，获得照片1(B)的测试结果。根据测试结果显示只要变更负载阻抗，就可以将逆復原特性与端子之间的容量分离各别观察。根据以上结果获得下列结论:

▶一般整流用二极管
逆復原时间大约是4µs，主要用途局限在商用频率的整流，它的端子之间容量比SBD小。

▶整流用SBD
整流用SBD的端子之间容量非常大，负载阻抗必需超过数百Ω才能使用，不过VF非常小，而且频率特性很好。

▶高速switching用SBD
若忽略VF 的话，它的逆復原特性非常好，适合数百kHz的应用，不过0V时的波形会有波动，所以端子之间的容量比PN接合型小信号switching diode大。
　

 表1 实验上使用的二极管特性一览

图3 观察二极管的实验电路

照片1 一般二极管与高速整流用二极管的反应特性( 2V/div.,2µs/div .)

照片2 高速switching与高速整流用SBD二极管的反应特性( 2V/div.,2µs/div .)

　 
如何选择二极管

使用二极管时必需注意二极管的顺向电压与逆復原特性。逆復原特性是二极管导通时的残余载子(carrier)，在非导通时未迅速消除所造成，一般认为逆耐压低于60V的SBD可以忽略它的逆復原时间。逆復原特性不同于顺向电压，不易在电路设计上作对策，所以通常是根据要求规范，选择逆復原特性适宜的二极管。

有关PN接合二极管的顺向电压，如图2(a)所示，0.1mA时大约是0.5V， 01mA时大约是0.6V，10mA时大约是0.7V，所以一般是取0.6V作基准。此外使用SBD时必需注意下列事项:

‧首先是小信号SBD对静电非常脆弱，因此使用上必需注意静电对策。

‧此外SBD的逆电流非常大，随着温度上升100C，逆电流增加二倍。整流电路若使用SBD，却未设置完善的散热片(heat sink)，经常会因为逆电流造成的损失导致热量暴增，因此设计上必需衡量最大周围温度，避免施加最大负载时产生热量暴增等问题。

‧不论是SBD或是高速二极管，它的逆耐压裕度不如一般整流二极管，因此设计上必需赋予更大的逆耐压裕度。虽然某些商用电源整流电路会使用高速二极管，不过商用电源必需设置雷电surge，根据统计资料显示若未设置由barricade strike索构成的雷电surge对策，冒然使用高速二极管极易造成许多无法预测的后果；相形之下一般整流二极管的逆耐压实力值，是定格值(设计值)的数倍以上，因此反而可以安心使用。

a.非反相理想二极管电路-1

‧何谓理想二极管电路

使用二极管的整流电路与检波电路，它的顺向电压温度特性大约是-2mV/0C，而且电压-电流特性不是直线性，此处若将二极管插入负归返(return)电路，就可以获得特性接近理想的「理想二极体电路」。由此可知使用逆復原特性极佳的二极管，是获得高速化的主要关键因素。

‧动作原理

图4(a)是典型的非反相型理想二极管电路，如上所述它是将二极管插入非反相增幅电路的负归返loop内，藉此补偿顺向电压VF。假设VF=0.6V，直流loop gain为100dB，如此一来输出直流电压误差只有6µV，由于电压误差非常低，因此一般都忽略它的存在。如图4(a)所示，负的一半cycle期间，OP增幅器的输出内部呈现饱和状，受到饱和復原时间的影响，因此应答(response)大幅延迟，此外从饱和level到正输出电压的应答时间，受限于through rate造成应答更加迟缓，加上逆復原特性导致输出波形变得非常波动杂乱，所以本电路只能应用在直流或是低频等领域。

图4(b)是OP增幅器不会饱和的非反相理想二极管电路。基本上它是在图(a)追加设置缓冲增幅器(buffer amplifier)，同时对OP增幅IC1施加负归返，藉此降低输出阻抗(impedance)。

本电路利用二极管D2使IC1的输出clamp至输入电压-VF，因此使用SBD可以有效降低漏电电流的影响。由于本电路属于微分电路，动作上非常不稳定，因此建议读者设置位相补偿用电容C1，同时注意动作得稳定性。值得一提的是将非反相型理想二极管电路的输出作逆极性，主要目的是希望藉此使二极管的D1，D2可以反相。

图4 非反相理响二极管电路

照片3是图4(a)、图4(b)电路实际动作时的波形；照片3(a)的波形(相当于图4(a)的电路)中，出现上述波动杂乱的现象。
由照片3(b)的波形(相当于图4(b)的电路)可知，上述缺点已经明显消除。由于本电路已经作高速补偿zero cross点的VF(大约0.7V)，所以即使极度使用OP增幅器的through rate，也不会超越上述补偿值，换句话说OP增幅IC必需根据动作频率，搭配高速OP增幅器才能发挥它的特性。

照片3(c)是SBD的动作波形，虽然非常接近理想状态，不过在R1=10kΩ受到D1端子之间容量的影响，因此0V线出现轻微的波动。

照片3 反相理想二极管电路的动作波形(2µs/div. )

b.反相理想二极管电路-2

‧何谓反相理想二极管电路

图5是典型的反相理想二极管电路。它是将二极管插入反相增幅电路的负归返loop内补偿顺向特性，本电路与非反相理想二极管电路不同，它可以同时获得逆极性的输出。

图5 反相型理想二极管的电路与动作特性

‧动作原理

照片4是上述图5反相理想二极管电路实际动作时的波形特性。由照片4(a)可知，动作波形已经受到OP增幅器的through rate与逆復原特性的影响；照片4(b)是以SBD取代二极管时的动作波形，若不考虑端子之间容量的影响，该波形几乎等于是一般所谓的理想波形。

照片4 反相型理想二极管电路的动作波形(1V/div.,2µs/div. )

c.理想二极管电路-3(绝对值电路)

‧何谓绝对值电路

反相理想二极管电路与加算电路组合，就会变成可以输出绝对值input信号，亦即所谓的绝对值电路。图6是常用的绝对值电路，它的输入电压Vin与输出电压Vout之间的关系可用下式表示:

Vout=|Vin|

‧动作原理

图6(b)是电路图中Ⓐ、Ⓑ各部位的动作波形。本电路的动作原理是输入电压Vin为正的期间，与输出电压Vout为负的期间，将R1，R2，D1，IC1构成的反相理想二极管电路输出VD，施加于R4，R5，IC2构成的gain -1倍反相增幅器的输出，藉此使Vout变成正，接着设定电阻值使2R3=R4=R5，再使IC2的gain对点Ⓐ与Ⓑ的信号成为2倍，亦即本电路是利用D1，D2 的极性反相，使绝对值电路的输出变成逆极性。

图6 绝对值电路与动作特性

‧可作offset调整的绝对值电路

图7是已经附加offset调整电路的绝对值电路。如图7(b)与图7(c)所示本电路可以调整VR1使波形接合处一致，并以VR2作归零点校对。此外为了使IC1造成的延迟，与R4，C1造成的延迟两者能够一致，所以用高频调合C1的定数。

图7 可作offset调整的绝对值电路与动作特性

照片5是图7电路实际动作时的波形特性；照片5(b)是用SBD取代二极管时的波形，由照片可知该波形非常接近理想形状。如照片5(c)所示，即可使用PN接合型二极管，只要使频率降至1kHz以下，也不会出现through rate的影响与逆復原特性的影响，它的动作波形非常接近理想形状。

照片5 绝对值电路的动作波形

接着要介绍有绝对值电路与后述的直线检波电路。图6的绝对值电路，由于电阻值造成的输出误差最大是电阻值误差的三倍，因此必需作2R3=R4=R5设计；相较之下如图8的绝对值电路是由相同电阻值构成，所以可以轻易选择高精度电阻值，如果将其它信号输入至Rn，本电路除了可以当作加算电路使用之外，还可以变成加算绝对值电路。图9是将上述图8的IC1当作非反相增幅器使用的的绝对值电路，必需注意的是本电路的输入阻抗(impedance)非常高，因此使用上有一定的限制。

图8 利用相同电阻构成高精度绝对值电路

图9 高输入阻抗的绝对值电路

下一集我们将进一步讲解如何改善理想二极管电路特性，及更进一步的电路设计说明。

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