【導讀】利(li)用(yong)二(er)極(ji)管(guan)完(wan)成(cheng)對(dui)信(xin)號(hao)的(de)整(zheng)流(liu)，求(qiu)取(qu)絕(jue)對(dui)值(zhi)等(deng)具(ju)有(you)很(hen)多(duo)的(de)應(ying)用(yong)。然(ran)而(er)在(zai)小(xiao)信(xin)號(hao)下(xia)
，二(er)極(ji)管(guan)的(de)前(qian)向(xiang)導(dao)通(tong)電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)相(xiang)應(ying)的(de)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)會(hui)對(dui)信(xin)號(hao)整(zheng)流(liu)帶(dai)來(lai)嚴(yan)重(zhong)的(de)影(ying)響(xiang)。本(ben)文(wen)從(cong)“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）上(shang)升(sheng)過(guo)程(cheng)中(zhong)，因(yin)為(wei)運(yun)放(fang)輸(shu)出(chu)最(zui)大(da)電(dian)壓(ya)擺(bai)率(lv)受(shou)限(xian)引(yin)起(qi)的(de)。運(yun)放(fang)的(de)輸(shu)出(chu)最(zui)大(da)電(dian)壓(ya)擺(bai)率(lv)反(fan)映(ying)了(le)在(zai)大(da)信(xin)號(hao)下(xia)運(yun)放(fang)跟(gen)蹤(zong)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)變(bian)化(hua)的(de)能(neng)力(li)
，反(fan)映(ying)了(le)芯(xin)片(pian)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)特(te)征(zheng)。

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dao10kHz，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 ※

利(li)用(yong)二(er)極(ji)管(guan)完(wan)成(cheng)對(dui)信(xin)號(hao)的(de)整(zheng)流(liu)
，求(qiu)取(qu)絕(jue)對(dui)值(zhi)等(deng)具(ju)有(you)很(hen)多(duo)的(de)應(ying)用(yong)。然(ran)而(er)在(zai)小(xiao)信(xin)號(hao)下(xia)，二(er)極(ji)管(guan)的(de)前(qian)向(xiang)導(dao)通(tong)電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)相(xiang)應(ying)的(de)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)會(hui)對(dui)信(xin)號(hao)整(zheng)流(liu)帶(dai)來(lai)嚴(yan)重(zhong)的(de)影(ying)響(xiang)。本(ben)文(wen)從(cong)“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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