【導(dǎo)讀】利用二極管完成對(duì)信號(hào)的整流，求取絕對(duì)值等具有很多的應(yīng)用。然而在小信號(hào)下，二極管的前向?qū)妷阂约跋鄳?yīng)的雜散電容會(huì)對(duì)信號(hào)整流帶來(lái)嚴(yán)重的影響。本文從“馬場(chǎng)清太郎”所著的“運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)”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(shí)。
01 基礎(chǔ)知識(shí)
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(hào)。二極管穩(wěn)態(tài)流過(guò)電流
與兩端電壓
之間的滿足單向?qū)щ娞匦裕杭磸年?yáng)極（正極）到陰極（負(fù)極）施加正向電壓時(shí)，有電流流通，反向幾乎無(wú)電流流通。
圖1.1.1 二極管的符號(hào)
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(shí)，
。
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(shí)：
。
下圖給出了硅PN結(jié)小信號(hào)開(kāi)關(guān)二極管 1SS120[1]、 肖特基勢(shì)壘二極管1SS108[2] 的正向與反向電流電壓特性。通過(guò)對(duì)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(lái)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(jù)不同特性和用途二極管分為各種類型，下表給出了實(shí)驗(yàn)中的各種二極管特性。
【表1-1-2 試驗(yàn)用二極管特性】
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按照下面電路搭建測(cè)試電路，測(cè)量相應(yīng)的二極管的特性。
圖1.1.5 觀察二極管特性的實(shí)驗(yàn)電路
（1）1N4148開(kāi)關(guān)二極管
??
正向?qū)?mA時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降0.606V；正向?qū)?.1mA時(shí)正向?qū)妷?.493V；
??
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(hào)波形。可以看到在負(fù)載為10kΩ時(shí)，輸出信號(hào)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(shí)，二極管管壓降為0.191V。正向?qū)?.1mA時(shí)，對(duì)應(yīng)的二極管為0.130V。
?
Ⅰ.負(fù)載：10kΩ
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在負(fù)載為10kΩ時(shí)，信號(hào)的反向出現(xiàn)了較大的信號(hào)。
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(shí)，信號(hào)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(duì)應(yīng)的輸出半波整流信號(hào)波形。
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正向?qū)?mA，對(duì)應(yīng)的二極管管壓降：0.508V；正向?qū)?.1mA時(shí)二極管管壓降為0.421V。
?
Ⅰ.負(fù)載：10kΩ
RL=10kΩ，MUR1100
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Ⅱ.負(fù)載：1kΩ
RL=1kΩ，MUR1100
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根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，給出以下說(shuō)明：
??1. 一般整流二極管，反向恢復(fù)時(shí)間約為 
，除市電電源整流外不使用，端子間的電容也比SBD?。?/p>
??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(kāi)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(shí)也能夠使用；
??4. 高速開(kāi)關(guān)SBD，
較小，在數(shù)百千赫時(shí)也能夠使用，但0V時(shí)波形彎曲，端子間電容也比PN結(jié)小信號(hào)開(kāi)關(guān)二極管大。
02 理想二極管
前面我們看到對(duì)于普通的二極管在小信號(hào)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(yùn)算放大電路引入反饋機(jī)制來(lái)提高二極管對(duì)信號(hào)整流的精度，在設(shè)計(jì)電路的同時(shí)需要避免運(yùn)放的高頻失真特性對(duì)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(hào)幅值大于0，電路的輸出等于輸入信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)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(hào)對(duì)于的電路輸出。出乎我們意料的是整流信號(hào)在開(kāi)始一段時(shí)間，大約有25
的時(shí)間為0V！這是為什么？
圖2.2.2 同相理想二極管整流信號(hào)輸出 1N4148
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下圖給出了電路中運(yùn)放輸出（綠色）信號(hào)。可以看到之所以出現(xiàn)開(kāi)始一段整流信號(hào)輸出為0，是因?yàn)檫\(yùn)放輸出從-12V（電源電壓）上升過(guò)程中，因?yàn)檫\(yùn)放輸出最大電壓擺率受限引起的。運(yùn)放的輸出最大電壓擺率反映了在大信號(hào)下運(yùn)放跟蹤輸入信號(hào)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(yùn)放輸出
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為了消除運(yùn)放的輸出擺率對(duì)電路的影響，需要對(duì)電路進(jìn)行改造。下面是通過(guò)引入二極管D
來(lái)使得運(yùn)放
在輸入信號(hào)為負(fù)的時(shí)候輸出不再飽和。運(yùn)放
主要作用是信號(hào)跟隨，提高了電路的輸出帶載能力，同時(shí)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(hào)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(shí)，運(yùn)放
的輸出信號(hào)波形（綠色），看到它不再出現(xiàn)反向飽和過(guò)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(hào)頻率繼續(xù)提高之后，由于運(yùn)放的頻率響應(yīng)以及輸出最大擺率的限制，也會(huì)使得輸出整流信號(hào)出現(xiàn)失真。下面是吧輸入信號(hào)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(guò)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(shí)給出輸入信號(hào)正半周檢波和負(fù)半周檢波信號(hào)，只不過(guò)輸出與輸入信號(hào)符號(hào)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(gè)半波整流輸出信號(hào)。
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(hào)頻率提高到10kHz，同樣可以看到由于運(yùn)放速率所引起的整流信號(hào)失真的情況。
圖3.1.3 反相理想二極管電路
2.3 絕對(duì)值電路
下圖給出了絕對(duì)值電路的結(jié)構(gòu)。它實(shí)際上是由一個(gè)反向半波整流電路再加上一個(gè)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(hào)的兩倍與輸入信號(hào)進(jìn)行疊加，然后經(jīng)過(guò)
的反向，最終輸出信號(hào)的絕對(duì)值信號(hào)。
圖4.1.1 絕對(duì)值電路
??
下面給出了信號(hào)輸出結(jié)果（橙色），其中綠色信號(hào)是R3之前的電壓信號(hào)，是輸入信號(hào)負(fù)半周信號(hào)。
絕對(duì)值電路輸出波形
??
為了達(dá)到嚴(yán)格的絕對(duì)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(yùn)放在高速下帶來(lái)的相位變化，需要在電路中引入一些補(bǔ)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(yùn)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(duì)值電路
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實(shí)現(xiàn)絕對(duì)值電路的方案也有一些變化，下面又給出了一些絕對(duì)值電路的參考設(shè)計(jì)。
圖4.4.1 相同電阻值構(gòu)成高精度絕對(duì)值電路
圖4.4.2 高輸入阻抗的絕對(duì)值電路
※ 電路總結(jié) ※
利用二極管完成對(duì)信號(hào)的整流，求取絕對(duì)值等具有很多的應(yīng)用。然而在小信號(hào)下，二極管的前向?qū)妷阂约跋鄳?yīng)的雜散電容會(huì)對(duì)信號(hào)整流帶來(lái)嚴(yán)重的影響。本文從“馬場(chǎng)清太郎”所著的“運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)”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(shí)。
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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