简 介: 利用二极管完成信号整流,并获得绝对值。然而,在小信号下,二极管的前导电压和相应的杂散电容会对信号整流产生严重影响。本文从马场清太郎所在的计算放大器应用电路设计中提取了一些典型的应用电路。 : ,,
§01 基础知识
1.1 基本特性
1.1.1 基本工作原理
下图中给出了二极管的电路图符号。二极管稳态流过电流 I F I_F IF 与两端电压 V D V_D VD 之间的满足单向导电特性:即从阳极(正极)到阴极(负极)施加正向电压时,有电流流通,反向几乎无电流流通。
▲ 图1.1.1 二极管的符号
V D = k T q ln ( I F I R ) V_D = { {kT} \over q}\ln \left( { { {I_F } \over {I_R }}} \right) VD=qkTln(IRIF)
q
:电子电荷( 1.603 × 1 0 − 19 1.603 \times 10^{ - 19} 1.603×10−19 C);k
:玻尔兹曼常数( 1.381 × 1 0 − 23 J / K 1.381 \times 10^{ - 23} J/K 1.381×10−23J/K );T
:温度(K);IR
:反向饱和电流(A); : 1SS120在 T = 25 T = 25 T=25 ℃, I F = 1 m A I_F = 1mA IF=1mA 时, V D = 0.6 V V_D = 0.6V VD=0.6V , I R = 7.166 × 1 0 − 14 A I_R = 7.166 \times 10^{ - 14} A IR=7.166×10−14A 。
▲ 图1.1.2 二极管特性
V F V_F VF :正向电压; I F I_F IF :正向电流; V R V_R VR:反向电压; I R I_R IR :反向电流 等效电阻 R O R_O RO 为: R O = d V F d I F = k T q ( − ln I R ) d ln I F d I F = k T q ( − ln I R ) 1 I F R_O = { {dV_F } \over {dI_F }} = { {kT} \over q}\left( { - \ln I_R } \right){ {d\ln I_F } \over {dI_F }} = { {kT} \over q}\left( { - \ln I_R } \right){1 \over {I_F }} RO=dIFdVF=qkT(−lnIR)dIFdlnIF=qkT(−lnIR)IF1 ISS120在25℃时: R o ≈ 0.777 / I F ( Ω ) R_o \approx 0.777/I_F \left( \Omega \right) Ro≈0.777/IF(Ω) 。
下图给出了硅PN结小信号开关二极管 、 肖特基势垒二极管 的正向与反向电流电压特性。通过对比可以看到肖特基二极管(SBD
)正向电压在1mA
以下小电流区域非常小;硅二极管1SS120
反向电流非常小可以忽略,相比起来1SS108
反向电流比较大。
▲ 图1.1.3 1SS120正向与反向V-A特性
▲ 图1.1.4 1SS108正向与反向电压与电流特性
1.1.2 频率特性与用途
根据不同特性和用途二极管分为各种类型,下表给出了实验中的各种二极管特性。
序号 | 型号 | VR | IF | 用途 |
---|---|---|---|---|
1 | DSK10E | 400V | 1A | 一般整流 |
2 | ERA83-004 | 40V | 1A | 高速整流用SBD |
3 | 1SS120 | 60V | 150mA | 高速开关 |
4 | 1SS108 | 30V | 10mA | 高速开关用SBD |
按照下面电路搭建测试电路,测量相应的二极管的特性。
▲ 图1.1.5 观察二极管特性的实验电路
(1)1N4148开关二极管
正向导通1mA时对应的正向压降0.606V;正向导通0.1mA时正向导通电压0.493V;
下面给出了整流负载电阻分别为10kΩ以及1kΩ情况下,输出整理信号波形。可以看到在负载为10kΩ时,输出信号的峰值比1kΩ稍微高一些(0.3V左右)。
Ⅰ.负载:10kΩ
▲ RL=10kΩ,1N4148
Ⅱ.负载:1kΩ
▲ RL=1kΩ,1N4148
(2)1N5817肖特基二极管
下面是 肖特基整流二极管高频整流波形。明显输出波形距离半波整理波形变化较大。
正向导通1mA
时,二极管管压降为0.191V
。正向导通0.1mA
时,对应的二极管为0.130V
。
Ⅰ.负载:10kΩ
在负载为10kΩ时,信号的反向出现了较大的信号。
▲ RL=10kΩ,1N5817
▲ 图1.1.15 反向特性影响因子
Ⅱ.负载:1kΩ
在负载为1kΩ时,信号反向和正向波形有所好转。
▲ RL=1kΩ,1N5817
(3)MUR1100快速恢复二极管
下面给出了快速恢复二极管MUR1100
在整流负载为10k
Ω和1k
Ω情况下对应的输出半波整流信号波形。
正向导通1mA
,对应的二极管管压降:0.508V
;正向导通0.1mA
时二极管管压降为0.421V
。
Ⅰ.负载:10kΩ
▲ RL=10kΩ,MUR1100
Ⅱ.负载:1kΩ
▲ RL=1kΩ,MUR1100
根据这些测量结果,给出以下说明: 1. 一般整流二极管,反向恢复时间约为 4 μ s 4\mu s 4μs ,除市电电源整流外不使用,端子间的电容也比SBD小; 2. 整理SBD,端子间电容大,负载电阻不再数百欧姆以下不使用。二极管导通电压 V F V_F VF 小,频率特性好; 3. 高速开关二极管,除了 V F V_F VF 较大以外,反向回复特性良好,数百千赫时也能够使用; 4. 高速开关SBD, V F V_F VF 较小,在数百千赫时也能够使用,但0V时波形弯曲,端子间电容也比PN结小信号开关二极管大。
§02 理想二极管
前面我们看到对于普通的二极管在小信号与高频率下与偏差比较大,为了克服这些偏差,可以利用运算放大电路引入反馈机制来提高二极管对信号整流的精度,在设计电路的同时需要避免运放的高频失真特性对于电路的影响。
2.1 同相理想二极管
下面是同相理想二极管电路。理论上当输入信号幅值大于0,电路的输出等于输入信号;当输入信号幅值小于零,电路输出为0。
▲ 图2.2.1 基本同相理想二极管
V i n ≥ 0 V V_{in} \ge 0V Vin≥0V 时