【導讀】liyongerjiguanwanchengduixinhaodezhengliu，qiuqujueduizhidengjuyouhenduodeyingyong。ranerzaixiaoxinhaoxia，erjiguandeqianxiangdaotongdianyayijixiangyingdezasandianronghuiduixinhaozhengliudailaiyanzhongdeyingxiang。benwencong“馬場清太郎”所著的“運算放大器應用電路設計”中摘取了一些典型應用電路
，讓我們看清在二極管中的理想與現實。

01 基礎知識

1.1 基本特性

1.1.1 基本工作原理

下圖中給出了二極管的電路圖符號。二極管穩態流過電流與兩端電壓之間的滿足單向導電特性：即從陽極（正極）到陰極（負極）施加正向電壓時，有電流流通，反向幾乎無電流流通。

圖1.1.1 二極管的符號

式中：q：電子電荷(999C)；k：玻爾茲曼常數（1010）
；T：溫度（K）
；IR：反向飽和電流（A）；例如：1SS120在℃
，時，。

圖1.1.2 二極管特性

：正向電壓；：正向電流；：反向電壓；：反向電流

等效電阻為：

ISS120在25℃時： 。

下圖給出了矽PN結小信號開關二極管  1SS120[1]
、 肖特基勢壘二極管1SS108[2]  的正向與反向電流電壓特性。通過對比可以看到肖特基二極管（SBD）正向電壓在1mA以下小電流區域非常小
；矽二極管1SS120反向電流非常小可以忽略，相比起來1SS108反向電流比較大。

圖1.1.3 1SS120正向與反向V-A特性

圖1.1.4 1SS108正向與反向電壓與電流特性

1.1.2 頻率特性與用途

根據不同特性和用途二極管分為各種類型，下表給出了實驗中的各種二極管特性。

【表1-1-2 試驗用二極管特性】

按照下麵電路搭建測試電路，測量相應的二極管的特性。

圖1.1.5 觀察二極管特性的實驗電路

（1）1N4148開關二極管

正向導通1mA時對應的正向壓降0.606V；正向導通0.1mA時正向導通電壓0.493V
；

下麵給出了整流負載電阻分別為10kΩ以及1kΩ情況下
，輸出整理信號波形。可以看到在負載為10kΩ時，輸出信號的峰值比1kΩ稍微高一些（0.3V左右）。

Ⅰ.負載：10kΩ

RL=10kΩ，1N4148

Ⅱ.負載：1kΩ

RL=1kΩ，1N4148

（2）1N5817肖特基二極管

下麵是 1N5817[3] 肖特基整流二極管高頻整流波形。明顯輸出波形距離半波整理波形變化較大。

正向導通1mA時
，二極管管壓降為0.191V。正向導通0.1mA時，對應的二極管為0.130V。

Ⅰ.負載：10kΩ

在負載為10kΩ時，信號的反向出現了較大的信號。

RL=10kΩ，1N5817

圖1.1.15 反向特性影響因子

Ⅱ.負載：1kΩ

在負載為1kΩ時，信號反向和正向波形有所好轉。

RL=1kΩ，1N5817

（3）MUR1100快速恢複二極管

下麵給出了快速恢複二極管MUR1100在整流負載為10kΩ和1kΩ情況下對應的輸出半波整流信號波形。

正向導通1mA，對應的二極管管壓降：0.508V；正向導通0.1mA時二極管管壓降為0.421V。

Ⅰ.負載：10kΩ

RL=10kΩ，MUR1100

Ⅱ.負載：1kΩ

RL=1kΩ，MUR1100

根據這些測量結果，給出以下說明：

  1. 一般整流二極管，反向恢複時間約為 ，除市電電源整流外不使用，端子間的電容也比SBD小

；

  2. 整理SBD
，端子間電容大，負載電阻不再數百歐姆以下不使用。二極管導通電壓小
，頻率特性好；

  3. 高速開關二極管，除了較大以外
，反向回複特性良好，數百千赫時也能夠使用；

  4. 高速開關SBD，較小，在數百千赫時也能夠使用，但0V時波形彎曲，端子間電容也比PN結小信號開關二極管大。

02 理想二極管

前qian麵mian我wo們men看kan到dao對dui於yu普pu通tong的de二er極ji管guan在zai小xiao信xin號hao與yu高gao頻pin率lv下xia與yu理li想xiang二er極ji管guan偏pian差cha比bi較jiao大da
，為wei了le克ke服fu這zhe些xie偏pian差cha，可ke以yi利li用yong運yun算suan放fang大da電dian路lu引yin入ru反fan饋kui機ji製zhi來lai提ti高gao二er極ji管guan對dui信xin號hao整zheng流liu的de精jing度du，在zai設she計ji電dian路lu的de同tong時shi需xu要yao避bi免mian運yun放fang的de高gao頻pin失shi真zhen特te性xing對dui於yu電dian路lu的de影ying響xiang。

2.1 同相理想二極管

下麵是同相理想二極管電路。理論上當輸入信號幅值大於0
，電路的輸出等於輸入信號
；當輸入信號幅值小於零，電路輸出為0。

圖2.2.1 基本同相理想二極管

下麵是輸入頻率為1kHz，峰峰值為5V的正弦波信號對於的電路輸出。出乎我們意料的是整流信號在開始一段時間，大約有25的時間為0V！這是為什麼？

圖2.2.2 同相理想二極管整流信號輸出 1N4148

下圖給出了電路中運放輸出（綠色）信號。可以看到之所以出現開始一段整流信號輸出為0，是因為運放輸出從-12V（電源電壓）shangshengguochengzhong，yinweiyunfangshuchuzuidadianyabailvshouxianyinqide。yunfangdeshuchuzuidadianyabailvfanyinglezaidaxinhaoxiayunfanggenzongshuruxinhaobianhuadenengli，fanyinglexinpiandefeixianxingtezheng。

圖2.2.4 同相理想二極管整流波形以及運放輸出

為了消除運放的輸出擺率對電路的影響
，需要對電路進行改造。下麵是通過引入二極管D來使得運放在輸入信號為負的時候輸出不再飽和。運放主要作用是信號跟隨，提高了電路的輸出帶載能力
，同時也為導通提供了偏置電流。

圖2.2.3 改良型電路

下麵反映了改良後的電路輸出結果，可以看到輸出整流信號得到了明顯的改進。

圖2.2.5 改良型電路輸出 1N4148

下圖給出了此時，運放的輸出信號波形（綠色）
，看到它不再出現反向飽和過程。

圖2.2.6 改良型電路輸出與Va2

當(dang)然(ran)
，在(zai)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)繼(ji)續(xu)提(ti)高(gao)之(zhi)後(hou)
，由(you)於(yu)運(yun)放(fang)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)以(yi)及(ji)輸(shu)出(chu)最(zui)大(da)擺(bai)率(lv)的(de)限(xian)製(zhi)，也(ye)會(hui)使(shi)得(de)輸(shu)出(chu)整(zheng)流(liu)信(xin)號(hao)出(chu)現(xian)失(shi)真(zhen)。下(xia)麵(mian)是(shi)吧(ba)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)提(ti)高(gao)到(dao)10kHz，可以看到整流輸出前麵也逐漸出現失真過程。

圖2.2.7 改良型電路輸出與Va2,10kHz

2.2 反相理想二極管

下圖給出了反向理想二極管的電路。它可以同時給出輸入信號正半周檢波和負半周檢波信號

，隻不過輸出與輸入信號符號相反。

圖3.1.1 反相理想二極管電路

下圖給出了電路在輸入1kHz 的正弦波（青色）作用下，兩個半波整流輸出信號。

圖3.1.2 反相理想二極管電路

下圖是將輸入信號頻率提高到10kHz

，同樣可以看到由於運放速率所引起的整流信號失真的情況。

圖3.1.3 反相理想二極管電路

2.3 絕對值電路

下圖給出了絕對值電路的結構。它實際上是由一個反向半波整流電路再加上一個加法電路組成。

下圖中
，R1=R2
；IC1
、R1、R2組成負半周整流電路。2R3=R4=R5，負半軸信號的兩倍與輸入信號進行疊加
，然後經過的反向，最終輸出信號的絕對值信號。

圖4.1.1 絕對值電路

下麵給出了信號輸出結果（橙色），其中綠色信號是R3之前的電壓信號，是輸入信號負半周信號。

絕對值電路輸出波形

為(wei)了(le)達(da)到(dao)嚴(yan)格(ge)的(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)電(dian)路(lu)
，前(qian)麵(mian)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)阻(zu)需(xu)要(yao)保(bao)持(chi)嚴(yan)格(ge)的(de)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)。為(wei)了(le)減(jian)少(shao)運(yun)放(fang)在(zai)高(gao)速(su)下(xia)帶(dai)來(lai)的(de)相(xiang)位(wei)變(bian)化(hua)
，需(xu)要(yao)在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)引(yin)入(ru)一(yi)些(xie)補(bu)償(chang)器(qi)件(jian)。下(xia)麵(mian)電(dian)路(lu)在(zai)前(qian)麵(mian)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)給(gei)出(chu)了(le)一(yi)些(xie)可(ke)以(yi)調(tiao)整(zheng)運(yun)放(fang)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)高(gao)頻(pin)相(xiang)位(wei)特(te)性(xing)的(de)措(cuo)施(shi)。

圖4.3.1 可調整失調的絕對值電路

實現絕對值電路的方案也有一些變化，下麵又給出了一些絕對值電路的參考設計。

圖4.4.1 相同電阻值構成高精度絕對值電路

圖4.4.2 高輸入阻抗的絕對值電路

※ 電路總結 ※

liyongerjiguanwanchengduixinhaodezhengliu，qiuqujueduizhidengjuyouhenduodeyingyong。ranerzaixiaoxinhaoxia，erjiguandeqianxiangdaotongdianyayijixiangyingdezasandianronghuiduixinhaozhengliudailaiyanzhongdeyingxiang。benwencong“馬場清太郎”所著的“運算放大器應用電路設計”中摘取了一些典型應用電路，讓我們看清在二極管中的理想與現實。

參考資料

[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

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