【技术专辑】当一个二极管不够好的时候:超级二极管

本文是AAC模拟电路系列的一部分,讨论了一个有趣的电路,其中运算放大器和普通二极管一起工作以创建一个超级二极管。

 

二极管是我们了解的第一批电子元件之一。它们的重要性可能不会立即明确 - 但是,经过一段时间后,我们逐渐明白,在许多情况下,电路需要相当于单向阀。

 

但是,您肯定知道,二极管不是一个单向阀。是的,电流只能从阳极流向阴极,而不是从阴极流向阳极,但我们也需要处理这种麻烦的正向压降。在某些情况下,~0.7 V压降(肖特基二极管较少)几乎不可察觉。然而,在其他情况下,这是一个非常重要的烦恼,有时甚至可能使二极管无用(例如当你想要纠正一个幅度与二极管正向电压相当的正弦波时)。

 

普通二极管总是具有正向电压。换句话说,没有理想二极管这样的东西。然而,可以创建模仿理想二极管的行为的电路,并且结果证明该电路1)非常简单并且2)仅需要普通二极管和另一种广泛可用的电子元件。

 

该电路称为超级二极管,它看起来像这样:

 

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超级二极管的功能

 

在我们查看模拟之前,我们将对此电路进行定性分析。我们在这里显然有负反馈连接,但重要的是要认识到运算放大器将作为闭环放大器和开环放大器运行。

 

让我们假设我们使用超二极管来纠正正弦波。我们需要某种初始条件开始,所以假设输入为负且输出电压为0 V(这是有意义的,因为输出节点通过负载电阻接地)。在初始条件下,运算放大器的输出在负轨处饱和,因此二极管不导通。由于二极管的作用类似于开路,反馈连接断开,运算放大器只是一个具有非常高增益的开环放大器。

 

一旦输入电压超过0 V,反相输入(接地)和同相输入之间就会有很小的差异。运算放大器的增益非常高,导致输出在正轨处饱和,从而导致正向偏置二极管。二极管现在正在导通,因此建立了负反馈路径。这意味着我们可以应用“ 虚拟短路 ”近似,即同相输入端的电压必须等于反相输入端的电压。换句话说,一旦输入电压变为正,V OUT = V IN。

 

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只要输入电压高于0 V,这种情况就会保持有效。只要V IN低于地电压,输出就会尝试摆动负极,但这将使二极管反向偏置,并将运算放大器返回到原来的开环状态。输出通过负载电阻再次下拉至地。结果是近乎完美的整流器:当输入为正时,输出等于输入; 当输入为负时,输出固定为0 V.

 

我们需要记住的一件事是负载电阻是电路的组成部分; 我们不能直接将超级二极管的输出(即没有下拉电阻)连接到高阻抗输入端口,因为当二极管反向偏置时,运算放大器的反相输入端基本上是浮动的。此外,“反向偏置”的超级二极管将输出电压保持在地电位。在这方面,它与反向偏置二极管并不完全相同,后者的作用就像开路一样。

 

模拟

 

这是一个超级二极管的LTspice实现:

 

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我们应用0.5 V正弦波。以下图表确认输出是输入的半波整流版本。典型的硅二极管在这里什么也不做,因为输入电压从不高到足以使结正向偏置,但是超级二极管表现不佳。

 

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如果我们试图纠正典型的120/240 VAC电源线电压会怎么样?非常糟糕,可以肯定 - 这里是超级二极管的主要缺点之一。为了使超级二极管产生给定的输出电压,运算放大器本身必须产生等于该输出电压加上二极管压降的电压。换句话说,超级二极管的输出电压受到运算放大器正电源轨的限制,并且该电压轨可能远低于您想要整流的电压。

 

超级二极管也施加了频率限制。与任何运算放大器电路一样,运算放大器的带宽会影响高频性能。下图显示了1 MHz正弦波的超级二极管(非常不起眼)整流:

 

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我们可以从向下的斜率看到运算放大器的频率响应开始产生一些相移,但为什么半周期的向上斜率部分看起来如此可怕?AD8606的增益带宽积为9 MHz,那么为什么1 MHz信号会降低性能?

 

请记住,当输入电压为负时,运算放大器在负轨处饱和,并且运算放大器从这种饱和状态恢复是有点困难的。另一个问题是我们违反了运算放大器的输入电压范围(AD8606数据表显示输入电压不应低于负电源轨)。我不知道SPICE仿真在多大程度上准确地传达了这些条件的影响,但我们可以安全地假设现实生活中的电路在类似情况下也会表现出某种不良行为。

 

结论

 

我们研究了一个简单的运算放大器电路,它可以提供“理想化”的整流,即它就像一个二极管,一旦它上面的电压超过0 V就变为正向偏置。但实际上,这个基本的超级二极管拓扑结构远非理想,因为它具有很大的局限性 - 带宽,饱和度,输入电压范围 - 与运算放大器的工作特性有关。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计