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模拟电路设计(十八)非线形电路二极管应用(上)

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利用二极管(diode)构成的整流电路与检波电路,在上一章节介绍的比较器(comparator)与非线形电路中扮演重要角色。由于二极管不同于电晶体与FET等动态元件,所以一般都认为它的结构与功能都非常单纯,不过实际应用上却经常出现突发状况,因此本文要介绍理想二极管电路与直线检波电路等电路的设计技巧。
 
  
二极管的基本特性

‧动作原理

一般二极管是用图1(a)的符号表示,并以图1(b)表示它的特性。由图可知电流是从正极(anode)流向负极(cathode),而且几乎不会逆向流动。图1(a)的理论计算式表示Silicon PN接合型二极管的端子之间电流与电压关系,如图1(b)所示,当理想二极管的阴极(cathode)电压VD低于0V时,它的电流为0A;当VD≥0V时,电流才会流动。

图1 二极管的表示符号与基本特性
 

图2是Silicon PN接合型小信号switching二极管 1SS120,与小信号Shot Key Barrier Diode(以下简称为SBD)1SS108的顺向电流特性。由图可知SBD的顺向电压在1mA以下小电流领域非常小,虽然无法从图2读取详细电流值,不过1SS120的逆电流小到几乎不存在程度,相较之下1SS108的逆电流就非常大。

图2 二极管的顺向特性

 

‧二极管的特性与用途

二极管的特性与用途随着种类的不同,出现很很大的差异,必需利用实验电路观察二极管的反应特性。此处以图3的电路测试二极管的反应特性;表1是实验电路使用的二极管特性一览;照片1与照片2分别是不同二极管的测试结果。

根本照片1(a)的测试结果显示,当负载阻抗RL=10kΩ时,一般二极体与SBD高速整流用二极管反应特性并无明显差异,所以接着利用RL=1kΩ进行相同测试,获得照片1(B)的测试结果。根据测试结果显示只要变更负载阻抗,就可以将逆復原特性与端子之间的容量分离各别观察。根据以上结果获得下列结论:

▶一般整流用二极管
逆復原时间大约是4µs,主要用途局限在商用频率的整流,它的端子之间容量比SBD小。

▶整流用SBD
整流用SBD的端子之间容量非常大,负载阻抗必需超过数百Ω才能使用,不过VF非常小,而且频率特性很好。

▶高速switching用SBD
若忽略VF 的话,它的逆復原特性非常好,适合数百kHz的应用,不过0V时的波形会有波动,所以端子之间的容量比PN接合型小信号switching diode大。
 

編號

型號

廠商

VR

IF

用途

1

DSK10E

三洋

400V

1A

一般整流用

2

ERA83-004

富士

40V

1A

高速整流用SBD

3

1SS120

日立

60V

150mA

高速Switching用

4

1SS108

日立

30V

10mA

高速Switching用SBD


 表1 实验上使用的二极管特性一览

图3 观察二极管的实验电路

照片1 一般二极管与高速整流用二极管的反应特性( 2V/div.,2µs/div .)

照片2 高速switching与高速整流用SBD二极管的反应特性( 2V/div.,2µs/div .)


  
如何选择二极管

使用二极管时必需注意二极管的顺向电压与逆復原特性。逆復原特性是二极管导通时的残余载子(carrier),在非导通时未迅速消除所造成,一般认为逆耐压低于60V的SBD可以忽略它的逆復原时间。逆復原特性不同于顺向电压,不易在电路设计上作对策,所以通常是根据要求规范,选择逆復原特性适宜的二极管。

有关PN接合二极管的顺向电压,如图2(a)所示,0.1mA时大约是0.5V, 01mA时大约是0.6V,10mA时大约是0.7V,所以一般是取0.6V作基准。此外使用SBD时必需注意下列事项:

‧首先是小信号SBD对静电非常脆弱,因此使用上必需注意静电对策。

‧此外SBD的逆电流非常大,随着温度上升100C,逆电流增加二倍。整流电路若使用SBD,却未设置完善的散热片(heat sink),经常会因为逆电流造成的损失导致热量暴增,因此设计上必需衡量最大周围温度,避免施加最大负载时产生热量暴增等问题。

‧不论是SBD或是高速二极管,它的逆耐压裕度不如一般整流二极管,因此设计上必需赋予更大的逆耐压裕度。虽然某些商用电源整流电路会使用高速二极管,不过商用电源必需设置雷电surge,根据统计资料显示若未设置由barricade strike索构成的雷电surge对策,冒然使用高速二极管极易造成许多无法预测的后果;相形之下一般整流二极管的逆耐压实力值,是定格值(设计值)的数倍以上,因此反而可以安心使用。

a.非反相理想二极管电路-1

‧何谓理想二极管电路

使用二极管的整流电路与检波电路,它的顺向电压温度特性大约是-2mV/0C,而且电压-电流特性不是直线性,此处若将二极管插入负归返(return)电路,就可以获得特性接近理想的「理想二极体电路」。由此可知使用逆復原特性极佳的二极管,是获得高速化的主要关键因素。

‧动作原理

图4(a)是典型的非反相型理想二极管电路,如上所述它是将二极管插入非反相增幅电路的负归返loop内,藉此补偿顺向电压VF。假设VF=0.6V,直流loop gain为100dB,如此一来输出直流电压误差只有6µV,由于电压误差非常低,因此一般都忽略它的存在。如图4(a)所示,负的一半cycle期间,OP增幅器的输出内部呈现饱和状,受到饱和復原时间的影响,因此应答(response)大幅延迟,此外从饱和level到正输出电压的应答时间,受限于through rate造成应答更加迟缓,加上逆復原特性导致输出波形变得非常波动杂乱,所以本电路只能应用在直流或是低频等领域。

图4(b)是OP增幅器不会饱和的非反相理想二极管电路。基本上它是在图(a)追加设置缓冲增幅器(buffer amplifier),同时对OP增幅IC1施加负归返,藉此降低输出阻抗(impedance)。

本电路利用二极管D2使IC1的输出clamp至输入电压-VF,因此使用SBD可以有效降低漏电电流的影响。由于本电路属于微分电路,动作上非常不稳定,因此建议读者设置位相补偿用电容C1,同时注意动作得稳定性。值得一提的是将非反相型理想二极管电路的输出作逆极性,主要目的是希望藉此使二极管的D1,D2可以反相。

图4 非反相理响二极管电路

照片3是图4(a)、图4(b)电路实际动作时的波形;照片3(a)的波形(相当于图4(a)的电路)中,出现上述波动杂乱的现象。
由照片3(b)的波形(相当于图4(b)的电路)可知,上述缺点已经明显消除。由于本电路已经作高速补偿zero cross点的VF(大约0.7V),所以即使极度使用OP增幅器的through rate,也不会超越上述补偿值,换句话说OP增幅IC必需根据动作频率,搭配高速OP增幅器才能发挥它的特性。

照片3(c)是SBD的动作波形,虽然非常接近理想状态,不过在R1=10kΩ受到D1端子之间容量的影响,因此0V线出现轻微的波动。

照片3 反相理想二极管电路的动作波形(2µs/div. )


b.反相理想二极管电路-2

‧何谓反相理想二极管电路

图5是典型的反相理想二极管电路。它是将二极管插入反相增幅电路的负归返loop内补偿顺向特性,本电路与非反相理想二极管电路不同,它可以同时获得逆极性的输出。


图5 反相型理想二极管的电路与动作特性

‧动作原理

照片4是上述图5反相理想二极管电路实际动作时的波形特性。由照片4(a)可知,动作波形已经受到OP增幅器的through rate与逆復原特性的影响;照片4(b)是以SBD取代二极管时的动作波形,若不考虑端子之间容量的影响,该波形几乎等于是一般所谓的理想波形。

照片4 反相型理想二极管电路的动作波形(1V/div.,2µs/div. )

 


c.理想二极管电路-3(绝对值电路)

‧何谓绝对值电路

反相理想二极管电路与加算电路组合,就会变成可以输出绝对值input信号,亦即所谓的绝对值电路。图6是常用的绝对值电路,它的输入电压Vin与输出电压Vout之间的关系可用下式表示:

Vout=|Vin|

‧动作原理

图6(b)是电路图中Ⓐ、Ⓑ各部位的动作波形。本电路的动作原理是输入电压Vin为正的期间,与输出电压Vout为负的期间,将R1,R2,D1,IC1构成的反相理想二极管电路输出VD,施加于R4,R5,IC2构成的gain -1倍反相增幅器的输出,藉此使Vout变成正,接着设定电阻值使2R3=R4=R5,再使IC2的gain对点Ⓐ与Ⓑ的信号成为2倍,亦即本电路是利用D1,D2 的极性反相,使绝对值电路的输出变成逆极性。


图6 绝对值电路与动作特性

 

‧可作offset调整的绝对值电路

图7是已经附加offset调整电路的绝对值电路。如图7(b)与图7(c)所示本电路可以调整VR1使波形接合处一致,并以VR2作归零点校对。此外为了使IC1造成的延迟,与R4,C1造成的延迟两者能够一致,所以用高频调合C1的定数。

图7 可作offset调整的绝对值电路与动作特性

 

照片5是图7电路实际动作时的波形特性;照片5(b)是用SBD取代二极管时的波形,由照片可知该波形非常接近理想形状。如照片5(c)所示,即可使用PN接合型二极管,只要使频率降至1kHz以下,也不会出现through rate的影响与逆復原特性的影响,它的动作波形非常接近理想形状。

照片5 绝对值电路的动作波形

 

接着要介绍有绝对值电路与后述的直线检波电路。图6的绝对值电路,由于电阻值造成的输出误差最大是电阻值误差的三倍,因此必需作2R3=R4=R5设计;相较之下如图8的绝对值电路是由相同电阻值构成,所以可以轻易选择高精度电阻值,如果将其它信号输入至Rn,本电路除了可以当作加算电路使用之外,还可以变成加算绝对值电路。图9是将上述图8的IC1当作非反相增幅器使用的的绝对值电路,必需注意的是本电路的输入阻抗(impedance)非常高,因此使用上有一定的限制。

图8 利用相同电阻构成高精度绝对值电路

图9 高输入阻抗的绝对值电路

 


下一集我们将进一步讲解如何改善理想二极管电路特性,及更进一步的电路设计说明。

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