我愿为这二极管奉献我的一生
时间：2022-11-16 19:00:00
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，让我们看到二极管的理想和现实。
关键词： 二极管，整流电路，绝对值电路
01 基础知识
1.1 基本特性
1.1.1 基本工作原理
??二极管的电路图符号在下图中给出。二极管稳态流过电流 与两端电压 满足单向导电特性：即从阳极（正极）到阴极（负极）施加正电压时，有电流循环，反向几乎没有电流循环。
式中：??
q：电子电荷( C)；??k：玻尔兹曼常数（ ）；??T：温度（K）；??IR：反向饱和电流（A）；例如：1SS120在 ℃， 时， ， 。
：正向电压； ：正向电流；：反向电压； ：反向电流
ISS120在25℃时： 。
等效电阻 为：
??下图显示了硅PN二极管结小信号开关 1SS120[1]、 二极管肖特基势垒1SS108[2] 正反电流电压特性。肖特基二极管的对比可见（SBD）正向电压在1mA硅二极管1SS120相比之下，反向电流非常小，可以忽略不计1SS108反向电流相对较大。
1.1.2 频率特性及用途
??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。
【表1-1-2 试验二极管特性
| 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 |
??根据以下电路构建测试电路，测量相应二极管的特性。
（1）1N4148开关二极管
??正向导通1mA对应的正压降0.606V；正向导通0.1mA正向导通电压0.493V；
??整流负载电阻分别为10kΩ以及1kΩ在这种情况下，输出组织信号波形。负载为10kΩ当输出信号峰值比1时kΩ稍微高一点(0.3V左右）。
?Ⅰ.负载：10kΩ
?Ⅱ.负载：1kΩ
（2）1N5817肖特基二极管
??下面是 1N5817[3] 肖特基整流二极管高频整流波形。输出波形与半波整理波形之间明显变化较大。
??正向导通1mA二极管压降为0.191V。正向导通0.1mA对应的二极管为0.130V。
?Ⅰ.负载：10kΩ
??在负载为10kΩ当信号反向出现较大的信号时。
?Ⅱ.负载：1kΩ
??在负载为1kΩ当信号反向和正波形改善时。
（3）MUR二极管快速恢复
??以下是二极管快速恢复MUR1100整流负荷为10kΩ和1kΩ对应输出半波整流信号波形。
??正向导通1mA，二极管压降：0.508V；正向导通0.1mA二极管压降为0.421V。
?Ⅰ.负载：10kΩ
?Ⅱ.负载：1kΩ
??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 ，除市政电源整流外，端子间的电容也比SBD小；
??2. 整理SBD，端子间电容大，负载电阻不再低于数百欧姆。二极管导电压 小，频率特性好；
??3. 除高速开关二极管外， 另外，反向回复特性好，数百千赫也可以使用；
??4. 高速开关SBD， 它很小，可以在数百千赫中使用，但是0V时波弯曲，端子间电容也比PN小信号开关二极管大。
02 理想二极管
??在我们面前，我们可以看到普通二极管在小信号和高频率下理想二极管为了克服这些偏差，可以利用操作放大电路引入反馈机制，提高二极管对信号整流的精度。在设计电路时，需要避免高频失真对电路的影响。
2.1 同相理想二极管
??以下是同相理想的二极管电路。理论上，当输入信号振幅值大于0时，电路输出等于输入信号；当输入信号振幅值小于零时，电路输出为0。
时 ； ； 时 ；
??输入频率为1kHz，峰峰值为5V正弦波信号用于电路输出。出乎我们意料的是，整流信号在一段时间，大约有25个 的时间为0V！为什么会这样？
??下图显示了电路中的输出(绿色)信号。由于输出从-12输出，可以看出开始的整流信号输出为0V(电源电压)在上升过程中，由于运输输出的最大电压摆放率有限。运输输出的最大电压摆放率反映了跟踪大信号下输入信号变化的能力和芯片的非线性特性。
??为了消除输出摆率对电路的影响，需要对电路进行改造。是通过引入二极管D 来使得运放 在输入信号为负的时候输出不再饱和。运放 主要作用是信号跟随，提高了电路的输出带载能力，同时也为 导通提供了偏置电流。
下面反映了改良后的电路输出结果，可以看到输出整流信号得到了明显的改进。
下图给出了此时，运放 的输出信号波形（绿色），看到它不再出现反向饱和过程。
当然，在输入信号频率继续提高之后，由于运放的频率响应以及输出最大摆率的限制，也会使得输出整流信号出现失真。下面是吧输入信号的频率提高到10kHz，可以看到整流输出前面也逐渐出现失真过程。
2.2 反相理想二极管
下图给出了反向理想二极管的电路。它可以同时给出输入信号正半周检波和负半周检波信号，只不过输出与输入信号符号相反。
下图给出了电路在输入1kHz 的正弦波（青色）作用下，两个半波整流输出信号。
下图是将输入信号频率提高到10kHz，同样可以看到由于运放速率所引起的整流信号失真的情况。
2.3 绝对值电路
下图给出了绝对值电路的结构。它实际上是由一个反向半波整流电路再加上一个加法电路组成。
下图中，R1=R2；IC1、R1、R2组成负半周整流电路。2R3=R4=R5，负半轴信号的两倍与输入信号进行叠加，然后经过 的反向，最终输出信号的绝对值信号。
下面给出了信号输出结果（橙色），其中绿色信号是R3之前的电压信号，是输入信号负半周信号。
为了达到严格的绝对值电路，前面电路中的电阻需要保持严格的比例关系。为了减少运放在高速下带来的相位变化，需要在电路中引入一些补偿器件。下面电路在前面的基础上给出了一些可以调整运放失调电压以及高频相位特性的措施。
实现绝对值电路的方案也有一些变化，下面又给出了一些绝对值电路的参考设计。
※ 电路总结 ※
利用二极管完成对信号的整流，求取绝对值等具有很多的应用。然而在小信号下，二极管的前向导通电压以及相应的杂散电容会对信号整流带来严重的影响。本文从“马场清太郎”所著的“运算放大器应用电路设计”中摘取了一些典型应用电路，让我们看清在二极管中的理想与现实。
参考资料
[1]
1SS120: https://html.alldatasheet.com/html-pdf/62780/HITACHI/1SS120/995/4/1SS120.html
[2]1SS108: https://pdf.dzsc.com/1SS/1SS108.pdf
[3]1N5817: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/170970/ONSEMI/1N5817.html
说某人“二极管”，意思就是这人思维僵化，只会用简单的“非黑即白”的二元论看人看事，非常幼稚非常蠢的意思。
