【導(dǎo)讀】利用二極管完成對信號的整流，求取絕對值等具有很多的應(yīng)用。然而在小信號下，二極管的前向?qū)妷阂约跋鄳?yīng)的雜散電容會對信號整流帶來嚴(yán)重的影響。本文從“馬場清太郎”所著的“運算放大器應(yīng)用電路設(shè)計”中摘取了一些典型應(yīng)用電路，讓我們看清在二極管中的理想與現(xiàn)實。
01 基礎(chǔ)知識
1.1 基本特性
1.1.1 基本工作原理
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下圖中給出了二極管的電路圖符號。二極管穩(wěn)態(tài)流過電流
與兩端電壓
之間的滿足單向?qū)щ娞匦裕杭磸年枠O（正極）到陰極（負(fù)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(shù)（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：
。
下圖給出了硅PN結(jié)小信號開關(guān)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(qū)域非常小；硅二極管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
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根據(jù)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】
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按照下面電路搭建測試電路，測量相應(yīng)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(guān)二極管
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正向?qū)?mA時對應(yīng)的正向壓降0.606V；正向?qū)?.1mA時正向?qū)妷?.493V；
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下面給出了整流負(fù)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(fù)載為10kΩ時，輸出信號的峰值比1kΩ稍微高一些（0.3V左右）。
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Ⅰ.負(fù)載：10kΩ
RL=10kΩ，1N4148
?
Ⅱ.負(fù)載：1kΩ
RL=1kΩ，1N4148
（2）1N5817肖特基二極管
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下面是 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。
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正向?qū)?mA時，二極管管壓降為0.191V。正向?qū)?.1mA時，對應(yīng)的二極管為0.130V。
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Ⅰ.負(fù)載：10kΩ
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在負(fù)載為10kΩ時，信號的反向出現(xiàn)了較大的信號。
RL=10kΩ，1N5817
圖1.1.15 反向特性影響因子
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Ⅱ.負(fù)載：1kΩ
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在負(fù)載為1kΩ時，信號反向和正向波形有所好轉(zhuǎn)。
RL=1kΩ，1N5817
（3）MUR1100快速恢復(fù)二極管
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下面給出了快速恢復(fù)二極管MUR1100在整流負(fù)載為10kΩ和1kΩ情況下對應(yīng)的輸出半波整流信號波形。
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正向?qū)?mA，對應(yīng)的二極管管壓降：0.508V；正向?qū)?.1mA時二極管管壓降為0.421V。
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Ⅰ.負(fù)載：10kΩ
RL=10kΩ，MUR1100
?
Ⅱ.負(fù)載：1kΩ
RL=1kΩ，MUR1100
??
根據(jù)這些測量結(jié)果，給出以下說明：
??1. 一般整流二極管，反向恢復(fù)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(fù)載電阻不再數(shù)百歐姆以下不使用。二極管導(dǎo)通電壓
小，頻率特性好；
??3. 高速開關(guān)二極管，除了
較大以外，反向回復(fù)特性良好，數(shù)百千赫時也能夠使用；
??4. 高速開關(guān)SBD，
較小，在數(shù)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(jié)小信號開關(guān)二極管大。
02 理想二極管
前面我們看到對于普通的二極管在小信號與高頻率下與理想二極管偏差比較大，為了克服這些偏差，可以利用運算放大電路引入反饋機制來提高二極管對信號整流的精度，在設(shè)計電路的同時需要避免運放的高頻失真特性對于電路的影響。
2.1 同相理想二極管
下面是同相理想二極管電路。理論上當(dāng)輸入信號幅值大于0，電路的輸出等于輸入信號；當(dāng)輸入信號幅值小于零，電路輸出為0。
圖2.2.1 基本同相理想二極管
下面是輸入頻率為1kHz，峰峰值為5V的正弦波信號對于的電路輸出。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！這是為什么？
圖2.2.2 同相理想二極管整流信號輸出 1N4148
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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(xiàn)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）上升過程中，因為運放輸出最大電壓擺率受限引起的。運放的輸出最大電壓擺率反映了在大信號下運放跟蹤輸入信號變化的能力，反映了芯片的非線性特征。
圖2.2.4 同相理想二極管整流波形以及運放輸出
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為了消除運放的輸出擺率對電路的影響，需要對電路進(jìn)行改造。下面是通過引入二極管D
來使得運放
在輸入信號為負(fù)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(dǎo)通提供了偏置電流。
圖2.2.3 改良型電路
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下面反映了改良后的電路輸出結(jié)果，可以看到輸出整流信號得到了明顯的改進(jìn)。
圖2.2.5 改良型電路輸出 1N4148
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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(xiàn)反向飽和過程。
圖2.2.6 改良型電路輸出與Va2
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當(dāng)然，在輸入信號頻率繼續(xù)提高之后，由于運放的頻率響應(yīng)以及輸出最大擺率的限制，也會使得輸出整流信號出現(xiàn)失真。下面是吧輸入信號的頻率提高到10kHz，可以看到整流輸出前面也逐漸出現(xiàn)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(fù)半周檢波信號，只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
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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
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下圖是將輸入信號頻率提高到10kHz，同樣可以看到由于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(jié)構(gòu)。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。
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下圖中，R1=R2；IC1、R1、R2組成負(fù)半周整流電路。2R3=R4=R5，負(fù)半軸信號的兩倍與輸入信號進(jìn)行疊加，然后經(jīng)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
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下面給出了信號輸出結(jié)果（橙色），其中綠色信號是R3之前的電壓信號，是輸入信號負(fù)半周信號。
絕對值電路輸出波形
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為了達(dá)到嚴(yán)格的絕對值電路，前面電路中的電阻需要保持嚴(yán)格的比例關(guān)系。為了減少運放在高速下帶來的相位變化，需要在電路中引入一些補償器件。下面電路在前面的基礎(chǔ)上給出了一些可以調(diào)整運放失調(diào)電壓以及高頻相位特性的措施。
圖4.3.1 可調(diào)整失調(diào)的絕對值電路
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實現(xiàn)絕對值電路的方案也有一些變化，下面又給出了一些絕對值電路的參考設(shè)計。
圖4.4.1 相同電阻值構(gòu)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(jié) ※
利用二極管完成對信號的整流，求取絕對值等具有很多的應(yīng)用。然而在小信號下，二極管的前向?qū)妷阂约跋鄳?yīng)的雜散電容會對信號整流帶來嚴(yán)重的影響。本文從“馬場清太郎”所著的“運算放大器應(yīng)用電路設(shè)計”中摘取了一些典型應(yīng)用電路，讓我們看清在二極管中的理想與現(xiàn)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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