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你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?

發(fā)布時(shí)間:2017-10-27 來(lái)源:John Dunn 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】各類型二極管都會(huì)有一種稱為「儲(chǔ)存電荷」(storage charge)的特性,其效應(yīng)是當(dāng)二極管在正向傳導(dǎo)模式(forward conduction mode)乘載電流時(shí),會(huì)讓電流發(fā)生并非立即出現(xiàn)的停止流動(dòng)情況,其中各種關(guān)斷狀態(tài)值得探究。
 
儲(chǔ)存電荷帶來(lái)的基本效應(yīng),是二極管接面上出現(xiàn)反向電壓時(shí)并不會(huì)立即關(guān)斷,電流會(huì)在一段有限的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)從相反方向流經(jīng)接面。為了讓說(shuō)明更清楚,讓我們以一個(gè)半波整流電路(half-wave rectifier circuit)做為實(shí)例:在第一種情況下,我們有一個(gè)如你所想象零儲(chǔ)存電荷的理想二極管,完全沒(méi)有反向電流,從下圖可見(jiàn)到它的理想波形。
 
你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?
理想的二極管半波整流
 
到目前為止看來(lái)都很好…那么如果二極管里出現(xiàn)儲(chǔ)存電荷會(huì)發(fā)生什么事?
 
你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?
緩慢恢復(fù)的二極管半波整流
 
在上圖的例子中,當(dāng)輸入正弦波跨越零伏特時(shí),二極管關(guān)斷并未立即發(fā)生,而是有一段短暫但明顯的反向傳導(dǎo)時(shí)間;此外,輸出波形到零的過(guò)程(steps-to-zero)非??焖?,因此在激發(fā)頻率的諧波是產(chǎn)生EMI的「沃土」,這可能非常難以控制與抑制。
 
而如果我們暫時(shí)不談全波整流器,還是可以看到那些反向二極管電流脈沖,那些脈沖也可能導(dǎo)致在激發(fā)源周遭發(fā)生脈沖性短路,如下圖。
 
你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?
瞬間短路
 
線路頻率、短路電流脈沖真的會(huì)產(chǎn)生某種程度的嚴(yán)重EMI與漣波(ripple)問(wèn)題;舉例來(lái)說(shuō),粗估一個(gè)速度相當(dāng)緩慢的二極管1N4007,其標(biāo)稱恢復(fù)時(shí)間為30μSec,如下圖。
 
你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?
緩慢的二極管恢復(fù)時(shí)間
 
如果激發(fā)頻率是60GHz,半周期是1/120秒或是8.3333 mSec,反向電流傳導(dǎo)角度會(huì)是180°乘以30μSec,再除以8.3333 mSec,結(jié)果為0.648°。如果施加120V RMS的激發(fā)能階,以及0.648°的激發(fā)電壓:120×sqrt (2)×sin (0.648°) = 1.92V,這樣的結(jié)果足以驅(qū)動(dòng)我們不想要的短路脈沖電流,如同上面「瞬間短路」那張圖中顯示的紅色箭頭。
 
在這類應(yīng)用中你會(huì)被告知需要使用快速恢復(fù)二極管,盡管其線路頻率很低;因?yàn)槟切┟}沖事件會(huì)在每一個(gè)AC輸入周期發(fā)生兩次,是相當(dāng)嚴(yán)重的問(wèn)題。透過(guò)采用快速恢復(fù)二極管,情況會(huì)像是下圖所顯示,那些不受歡迎的脈沖效應(yīng)會(huì)弱得多。
 
你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?
快速恢復(fù)二極管半波整流
 
到目前為止,儲(chǔ)存電荷一直被視為「敵人」,但有時(shí)候如果我們想利用它,也是可以「化敵為友」;如果我們將激發(fā)頻率從60Hz或400Hz的電源線數(shù)字提高到HF/VHF/UHF等調(diào)頻,并采用名為躍階恢復(fù)二極管(step recovery diode)的組件,我們就能得到如下圖的整流情況:
 
你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?
躍階恢復(fù)二極管半波整流
 
在這里可以看到,二極管的儲(chǔ)存電荷在一個(gè)故意拉長(zhǎng)的激勵(lì)波形周期部份中維持反向電流,達(dá)到理想的270°;就像是我們之前觀察到的緩慢恢復(fù)二極管會(huì)產(chǎn)生不需要的激發(fā)頻率諧波,躍階恢復(fù)二極管會(huì)產(chǎn)生我們需要的激發(fā)頻率諧波,讓我們能制作如下圖的倍頻電路(frequency multiplier)。
 
你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?
躍階恢復(fù)二極管倍頻電路
 
想象100MHz的輸入會(huì)取得300MHz的輸出,非常漂亮!
 
而接下來(lái)我們看另外一種組件,高頻二極管(PIN二極管);這種組件在激發(fā)頻率夠高時(shí),儲(chǔ)存電荷永遠(yuǎn)不會(huì)故意耗盡;我們可以利用PIN二極管動(dòng)態(tài)阻抗會(huì)隨著電流乘載水平之函數(shù)而變化的特性,該特性把PIN二極管當(dāng)作可變RF/微波訊號(hào)衰減組件(RF/microwave signal attenuator element)來(lái)運(yùn)用,如下圖。
 
你會(huì)巧妙利用二極管中的“存儲(chǔ)電荷”嗎?
PIN二極管訊號(hào)衰減組件
 
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)(原文發(fā)表于Aspencore旗下EDN美國(guó)版,Judith Cheng編譯)
 
 
 
 
 
 
 
 
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