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當二極管簡直不夠時:超級二極管

日期:2019/9/21 10:28:29
摘要:二極管是我們了解的第一批電子元件之一。它們的重要性可能不會立即明確 - 但是,經過一段時間后,我們逐漸明白,在許多情況下,電路需要相當于單向閥。

關鍵詞:二極管

但是,您肯定知道,二極管不是一個單向閥。是的,電流只能從陽極流向陰極,而不是從陰極流向陽極,但我們也有這種麻煩的正向壓降需要處理。在某些情況下,~0.7 V的壓降(肖特基二極管較少)幾乎不可察覺。然而,在其他情況下,這是一個非常重要的煩惱,有時甚至可能使二極管無用(例如當你想要糾正一個幅度與二極管正向電壓相當的正弦波時)。

普通二極管總是具有正向電壓。換句話說,沒有理想二極管這樣的東西。然而,可以創建模仿理想二極管的行為的電路,并且結果證明該電路1)非常簡單并且2)僅需要普通二極管和另一種廣泛可用的電子元件。

該電路稱為超級二極管,它看起來像這樣:

超級二極管的功能

在我們查看模擬之前,我們將對此電路進行定性分析。我們在這里顯然有負反饋連接,但重要的是要認識到運算放大器將作為閉環放大器和開環放大器運行。

讓我們假設我們使用超二極管來糾正正弦波。我們需要某種初始條件,所以假設輸入為負且輸出電壓為0 V(這是有意義的,因為輸出節點通過負載電阻接地)。在初始條件下,運算放大器的輸出在負軌處飽和,因此二極管不導通。由于二極管起到開路作用,反饋連接斷開,運算放大器只是一個具有很高增益的開環放大器。

一旦輸入電壓超過0 V,反相輸入(接地)和同相輸入之間就會有很小的差異。運算放大器的增益非常高,導致輸出在正軌上飽和,這導致正向偏置二極管。二極管現在正在導通,因此建立了負反饋路徑。這意味著我們可以應用“ 虛擬短路 ”近似,即,非反相輸入端的電壓必須等于反相輸入端的電壓。換句話說,只要輸入電壓變為正,V OUT = V IN。

只要輸入電壓高于0 V,此條件就會保持有效。一旦V IN低于地電平,輸出就會嘗試擺動負極,但這會使二極管反向偏置并使運算放大器恢復到原來的狀態。 - 循環狀態。輸出再次通過負載電阻下拉至地。結果是近乎完美的整流器:當輸入為正時,輸出等于輸入;_當輸入為負時,輸出固定為0 V.

我們需要記住的一件事是負載電阻是電路的組成部分;_我們無法將超級二極管的輸出直接連接(即沒有下拉電阻)到高阻抗輸入端口,因為當二極管反向偏置時,運算放大器的反相輸入端子基本上是浮動的。此外,“反向偏置”的超級二極管將輸出電壓保持在地電位。在這方面,它與反向偏置二極管并不完全相同,后者的作用就像開路一樣。

模擬

這是一個超級二極管的LTspice實現:

我們應用0.5 V正弦波。以下圖表確認輸出是輸入的半波整流版本。典型的硅二極管在這里什么也不做,因為輸入電壓從不高到足以使結正向偏置,但是超級二極管表現不佳。

如果我們試圖糾正典型的120/240 VAC電源線電壓會怎樣?非常糟糕,確實 - 這里是超級二極管的主要缺點之一。為了使超級二極管產生給定的輸出電壓,運算放大器本身必須產生等于該輸出電壓加上二極管壓降的電壓。換句話說,超級二極管的輸出電壓受到運算放大器正電源軌的限制,并且該電壓軌可能遠低于您想要整流的電壓。

超級二極管也施加了頻率限制。與任何運算放大器電路一樣,運算放大器的帶寬會影響高頻性能。下圖顯示了1 MHz正弦波的超級二極管(非常不起眼)整流:

我們可以從向下的斜率看到運算放大器的頻率響應開始產生一些相移,但為什么半周期的向上斜率部分看起來如此可怕?AD8606的增益帶寬乘積為9 MHz,那么為什么1 MHz信號會降低性能?

好吧,請記住,當輸入電壓為負時,運算放大器在負軌處飽和,并且運算放大器從這種飽和狀態恢復有點困難。另一個問題是我們違反了運算放大器的輸入電壓范圍(AD8606數據表表明輸入電壓不應低于負電源軌)。我不知道SPICE仿真在多大程度上準確地傳達了這些條件的影響,但我們可以安全地假設現實生活中的電路在類似情況下也會表現出某種不良行為。

MMBD3004S-7-F www.dzsc.com/ic-detail/9_1314.html的參數

封裝/外殼:TO-236-3,SC-59,SOT-23-3

反向漏電流IR:100nA@240V

濕氣敏感性等級(MSL):1(無限)

安裝類型:表面貼裝(SMT)

工作溫度-結:-65°C~150°C

反向恢復時間(trr):50ns

速度:快速恢復=200mA(Io)

正向壓降VF:1.25V@200mA

電流-平均整流(Io)(每二極管):225mA(DC)反向耐壓VR(最大值):300V二極管類型:標準

二極管配置:1對串聯