二极管的动作特性与应用

录入：edatop.com 点击：

　　二极管属于半导体元件的一种，应用在一般电子电路的半导体，依照性质的不同可以分成P型与N型两种，如果利用P型→N型性质改变所构成的PN接合，就可以制作二极管(Diode)元件，除此之外使金属与半导体接触，利用Schottky接合的电气特性，同样可以制作二极管元件。二极管具备两个端子，它的外形随着用途的不同有许多形状，不过基本上二极管的动作原理却完全相同。本文要介绍二极管的基本功能，同时针对汎用二极管进行模拟分析，藉此探讨二极管动作时的电流与电压决定方法。
二极管的动作原理
表1是目前常用二极管的特性与分类一览；图1是利用万用电压源VSRC，对汎用小信号二极管施加直流电压的测试电路；图2是针对二极管以0.01V为刻度，从-2V到+2V对二极管两端施加电压V_D时，利用DC模拟分析电流I_D的结果，根据分析结果可知电压V_D低于0.6V时I_D接近零，电压V_D一旦超过0.6V的话，正向(从正极朝负极方向)电流会急遽涌现，类似这样的电流流动特性我们称它为「电流单向流动特性」。

正向流动的电流称为「顺向电流I_F」 (F表示Forward)，接近零的负向流动电流则称为「逆向电流I_R」(R表示Reverse)，顺向电流流动时发生的电压称为「顺向电压V_F」，逆向电流流动时发生的电压称为「逆向电压V_R」。
　

表1 二极管的特性与分类
　

图1 检测二极管电压-特性的模拟电路
　

图2 二极管的电压、电流特性
　

图3是利用上述相同模拟方式，计算二极管从V_D到I_D的等价性阻抗R_D，依此描绘的座标图，必需注意的是图中的纵轴为对数刻度，以及V_D = 0V时出现的计算误差。由图可知R_D是以V_D = 0.6V为界线，如果V_D < 0.6V时，等价性阻抗R_D会急遽升高接着迅速降低，这种现象若以机械开关作比喻，R_D很高时如同开关的接点呈OFF状态，很低时开关的接点则变成呈ON状态，换句话说二极管可以从外部控制两端发生的电压，进行无接点的开关(Switch)动作。
　

图3 二极管两端的电压超过0.6V时的特性
　

图4的测试电路先将二极管D₁串联1KΩ电阻接着连接电压源V₁；图5是对二极管的两端以0.01V为刻度，从-5V到+5V施加电压，接着再用DC进行模拟分析获得的结果，由图可知由于二极管的V₁在-5V ~ +0.6V之间为OFF，测试电路几乎没有电流流动，因此V₁的电压变成直接施加状态，亦即V_D = V₁，不过V₁一旦超过+0.6V二极管会成为ON状态，V_D = V₁的关系立即消失成为+0.6V一定值，由此可知二极体ON时，两端产生的电压V_F与电流无关，它几乎是呈一定值的定电压元件。

虽然V_F值随着二极管的种类与顺向电流改变，不过一般小信号硅二极管元件的V_F 0.6V，大功率的场合V_F 0.8V。
　

图4 二极管与电阻串联的电路
　

图5 二极管的顺向电压即使超过0.6V时的特性
　

图4的二极管顺向电流I_F是电阻产生的电压从V₁减掉V_F的结果，它可以用下式表示:
　

图6是用图5相同条件改变V₁，依此进行二极管电流模拟分析所获得的结果，图中「×」表示式(1)计算式之中，V_F = 0.6V时的顺向电流，根据模拟分析的结果显示它与计算值非常接近，换言之利用式(1)可以轻易求得二极管的顺向电流。
　

图6 二极管的电流与计算结果一致
　

电阻与二极管构成的应用电路
图7是可以输出交流信号正极端的正输出半波整流电路，输入信号为2V_peak , 1kHz正弦波；图8是利用过渡分析模拟范围0 ~ 2ms时各部位的波形获得的结果，由图可知输入电压超过+0.6V时D₁变成ON，因此产生输出电压V_output，此时的V_output比V_input二极管的顺向电压V_F 0.6V低。

图9是图8时间轴的放大图，由图可知V_input若超过+0.6V，V_output便开始站立，V_input低于+0.6V时D₁变成OFF，V_output几乎成为0V。值得一提的是图7电路，它的输入信号同时具备控制二极管的ON/OFF功能，虽然双极电晶体(Bipolar Transistor)与FET，也拥有可以控制元件ON/OFF的专用端子，不过二极管却没有控制端子，因此二极管元件利用外部电路改变元件两端的电压与电流，才能达成控制电流ON/OFF的目的。

根据欧姆法则可知负载阻抗的电流I_RL，可以用下式表示:
　

它的波形与图8的V_output完全相同。
　

图7 可以输出交流信号正极端的正输出半波整流电路
　

图8 正输出半波整流电路的各部位波形
　

图9 输出比输入低V_F 0.6V
　

图10是可以抓取交流信号负极端的负输出半波整流电路，它与图7最大差异是二极管的方向；图11是利用过渡分析模拟范围0 ~ 2ms时各部位波形所获得的结果，由于二极管的方向相反，当V_input低于+0.6V时，D₁变成ON只能输出负的半波V_output，D₁ ON时V_output与V_input两者的电位差V_F则变成+0.6V左右，此外V_output只会输出负的电压，因此负载阻抗的电流I_RL与图8的极性相异成为逆极性(从R_L算起二极管变成吸入方向)。
　

图10 可以抓取交流信号负极端的负输出半波整流电路
　

图11 负输出半波整流电路的各部位波形
　

图12是可以去除(Cut)交流信号负极端的负电压Clamp电路，欲去除负振幅时经常使用本电路；图13是利用过渡分析模拟范围0 ~ 2ms时各部位波形所获得的结果，由图可知输入电压V_input超过-06V时D₁变成OFF，输出电压V_output变成V_output，如果V_input低于-0.6V的话，D₁会变成ON，由于V_output与V_input的振幅无关，因此会固定变成-0.6V一定值，而且还它会自动去除比输入信号-0.6V更低部份。

使用由二极管构成的Clamp电路时，必需注意Clamp动作期间，二极管内会有(V_input - V_F) / R₁决定的电流流动，例如图13的电路中二极管内有峰值2V - 0.6V / 1kΩ = 1.4mA的电流流动。
　

图12 Cut交流信号负极端的负电压Clamp电路
　

图13 负电压Clamp电路各部位的波形
　

电容与二极管构成的应用电路
图14是利用变压器将绝缘的交流信号转换成直流信号的转换电路，本电路是由半波整流电路与电容构成，它可以应用在电源电路与AM(振幅变调)检波电路。
　

图14 电源用半波整流电路与平整电路的组合
　

图15是为了进行模拟分析，依照图14元件与电路定数设计的电路图，图中的变压器2次端输出改成万用电压源VSRC，二极管则使用一般整流用D1N60二极管；图16是将V₁设定5V_peak正弦波，接着再利用过渡分析模拟范围0 ~ 40ms时各部位波形，由图16的分析结果可知只有半波整流电路，可以变成图8的V_output正弦波的半波，此时若将电容插入的话，随着连接输出波形山峰之间的波动，会变成直流信号。
　

图15 半波整流平整电路的模拟分析
　

根据欧姆法则，负载阻抗的电流I_RL可以用下式表示:
　

由于I_RL与V_output呈比例，因此波形与V_input相同。
　

图16 半波整流平整电路的各部位波形
　

图17是同时描绘二极管内的电流I_D1与输出电压所获得的座标图，如图所示V_input比V_output的D₁顺向电压高V_F 0.8V 时，D₁会有电流流动，此时二极体呈ON状态，至于I_D1变成负极性则代表从二极体的流出的方向有电流在流动。
　

图17 二极管的ON时间特性
　

此外图17中2ms附近的I_D1大到几乎要超越图17座标图，主要原因是电荷对电容充电造成初期电流流动。

无平整电容的场合，如图8所示V_output若大于时，虽然V_F二极管会变成ON，不过本电路的平整电容会有残留电荷，所以图17的二极体ON时间非常短，而且此时二极管呈ON状态，因此V_output的峰值部位电压，比V_output的低V_F 0.8V。

接着将Make装设至图18内，藉此观察各部位电流波形，图19是各部位电流波形的座标图，由图可知二极管ON时的电流I_D1呈峰值状(超过700mA以上)，不过二极管一旦OFF时电流立即变成零，至于电容内的电流I_C1，它的峰值部位的波形几乎与I_D1相同，一般认为主要原因是I_D1的大部份流入电容内充电所致，至于造成I_D1比I_C1略大主要原因，一般认为是二极管对电容C₁充电的同时也提供电流I_RL给R_L所致。

二极管变成OFF时I_D1 = 0，I_C1的极性也变成跟I_RL一样，造成该现象主要原因是电容储存的能量变成放电电流R_L所致。图20是综合上述结论绘成的二极管电流流动特性图，由图可知随着二极管ON/OFF各部位的电流呈动态变化。根据图19显示，负载内的大部份电流都是电容提供的放电电流，电容两端的电压随着放电逐渐降低，进而造成V_output发生波动(Ripple)现象。此处假设波动的峰值对峰值(Peak To Peak)为波动电压ΔV，如此一来ΔV可用下式作近似计算:
　