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利用二极管完成对信号的整流，求取绝对值等具有很多的应用。然而在小信号下，二极管的前向导通电压以及相应的杂散电容会对信号整流带来严重的影响。本文从“马场清太郎”所著的“运算放大器应用电路设计”中摘取了一些典型应用电路，让我们看清在二极管中的理想与现实。
01 基础知识
1.1 基本特性
1.1.1 基本工作原理
下图中给出了二极管的电路图符号。二极管稳态流过电流 与两端电压 之间的满足单向导电特性：即从阳极（正极）到阴极（负极）施加正向电压时，有电流流通，反向几乎无电流流通。
▲ 图1.1.1 二极管的符号
式中： q：电子电荷( C)； k：玻尔兹曼常数（ ）； T：温度（K）； IR：反向饱和电流（A）；例如：1SS120在 ℃， 时， ， 。
▲ 图1.1.2 二极管特性
下图给出了硅PN结小信号开关二极管 1SS120[1]、 肖特基势垒二极管1SS108[2] 的正向与反向电流电压特性。通过对比可以看到肖特基二极管（SBD）正向电压在1mA以下小电流区域非常小；硅二极管1SS120反向电流非常小可以忽略，相比起来1SS108反向电流比较大。
▲ 图1.1.3 1SS120正向与反向V-A特性
▲ 图1.1.4 1SS108正向与反向电压与电流特性
1.1.2 频率特性与用途
根据不同特性和用途二极管分为各种类型，下表给出了实验中的各种二极管特性。
【表1-1-2 试验用二极管特性】
| 序号 | 型号 | VR | IF | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | DSK10E | 400V | 1A | 一般整流 |
| 2 | ERA83-004 | 40V | 1A | 高速整流用SBD |
| 3 | 1SS120 | 60V | 150mA | 高速开关 |
| 4 | 1SS108 | 30V | 10mA | 高速开关用SBD |
按照下面电路搭建测试电路，测量相应的二极管的特性。
▲ 图1.1.5 观察二极管特性的实验电路
（1）1N4148开关二极管
正向导通1mA时对应的正向压降0.606V；正向导通0.1mA时正向导通电压0.493V；
下面给出了整流负载电阻分别为10kΩ以及1kΩ情况下，输出整理信号波形。可以看到在负载为10kΩ时，输出信号的峰值比1kΩ稍微高一些（0.3V左右）。
Ⅰ.负载：10kΩ
▲ RL=10kΩ，1N4148
Ⅱ.负载：1kΩ
▲ RL=1kΩ，1N4148
（2）1N5817肖特基二极管
下面是 1N5817[3] 肖特基整流二极管高频整流波形。明显输出波形距离半波整理波形变化较大。
正向导通1mA时，二极管管压降为0.191V。正向导通0.1mA时，对应的二极管为0.130V。
Ⅰ.负载：10kΩ
在负载为10kΩ时，信号的反向出现了较大的信号。
▲ RL=10kΩ，1N5817
▲ 图1.1.15 反向特性影响因子
Ⅱ.负载：1kΩ
在负载为1kΩ时，信号反向和正向波形有所好转。
▲ RL=1kΩ，1N5817
（3）MUR1100快速恢复二极管
下面给出了快速恢复二极管MUR1100在整流负载为10kΩ和1kΩ情况下对应的输出半波整流信号波形。
正向导通1mA，对应的二极管管压降：0.508V；正向导通0.1mA时二极管管压降为0.421V。
Ⅰ.负载：10kΩ
▲ RL=10kΩ，MUR1100
Ⅱ.负载：1kΩ
▲ RL=1kΩ，MUR1100
根据这些测量结果，给出以下说明：
1. 一般整流二极管，反向恢复时间约为 ，除市电电源整流外不使用，端子间的电容也比SBD小；
2. 整理SBD，端子间电容大，负载电阻不再数百欧姆以下不使用。二极管导通电压 小，频率特性好；
3. 高速开关二极管，除了 较大以外，反向回复特性良好，数百千赫时也能够使用；
4. 高速开关SBD， 较小，在数百千赫时也能够使用，但0V时波形弯曲，端子间电容也比PN结小信号开关二极管大。
02 理想二极管
前面我们看到对于普通的二极管在小信号与高频率下与理想二极管偏差比较大，为了克服这些偏差，可以利用运算放大电路引入反馈机制来提高二极管对信号整流的精度，在设计电路的同时需要避免运放的高频失真特性对于电路的影响。
2.1 同相理想二极管
下面是同相理想二极管电路。理论上当输入信号幅值大于0，电路的输出等于输入信号；当输入信号幅值小于零，电路输出为0。
▲ 图2.2.1 基本同相理想二极管
下面是输入频率为1kHz，峰峰值为5V的正弦波信号对于的电路输出。出乎我们意料的是整流信号在开始一段时间，大约有25 的时间为0V！这是为什么？
▲ 图2.2.2 同相理想二极管整流信号输出 1N4148
下图给出了电路中运放输出（绿色）信号。可以看到之所以出现开始一段整流信号输出为0，是因为运放输出从-12V（电源电压）上升过程中，因为运放输出最大电压摆率受限引起的。运放的输出最大电压摆率反映了在大信号下运放跟踪输入信号变化的能力，反映了芯片的非线性特征。
▲ 图2.2.4 同相理想二极管整流波形以及运放输出
为了消除运放的输出摆率对电路的影响，需要对电路进行改造。下面是通过引入二极管D 来使得运放 在输入信号为负的时候输出不再饱和。运放 主要作用是信号跟随，提高了电路的输出带载能力，同时也为 导通提供了偏置电流。
▲ 图2.2.3 改良型电路
下面反映了改良后的电路输出结果，可以看到输出整流信号得到了明显的改进。
▲ 图2.2.5 改良型电路输出 1N4148
下图给出了此时，运放 的输出信号波形（绿色），看到它不再出现反向饱和过程。
▲ 图2.2.6 改良型电路输出与Va2
当然，在输入信号频率继续提高之后，由于运放的频率响应以及输出最大摆率的限制，也会使得输出整流信号出现失真。下面是吧输入信号的频率提高到10kHz，可以看到整流输出前面也逐渐出现失真过程。
▲ 图2.2.7 改良型电路输出与Va2,10kHz
2.2 反相理想二极管
下图给出了反向理想二极管的电路。它可以同时给出输入信号正半周检波和负半周检波信号，只不过输出与输入信号符号相反。
▲ 图3.1.1 反相理想二极管电路
下图给出了电路在输入1kHz 的正弦波（青色）作用下，两个半波整流输出信号。
▲ 图3.1.2 反相理想二极管电路
下图是将输入信号频率提高到10kHz，同样可以看到由于运放速率所引起的整流信号失真的情况。
▲ 图3.1.3 反相理想二极管电路
2.3 绝对值电路
下图给出了绝对值电路的结构。它实际上是由一个反向半波整流电路再加上一个加法电路组成。
下图中，R1=R2；IC1、R1、R2组成负半周整流电路。2R3=R4=R5，负半轴信号的两倍与输入信号进行叠加，然后经过 的反向，最终输出信号的绝对值信号。
▲ 图4.1.1 绝对值电路
下面给出了信号输出结果（橙色），其中绿色信号是R3之前的电压信号，是输入信号负半周信号。
▲ 绝对值电路输出波形
为了达到严格的绝对值电路，前面电路中的电阻需要保持严格的比例关系。为了减少运放在高速下带来的相位变化，需要在电路中引入一些补偿器件。下面电路在前面的基础上给出了一些可以调整运放失调电压以及高频相位特性的措施。
▲ 图4.3.1 可调整失调的绝对值电路
实现绝对值电路的方案也有一些变化，下面又给出了一些绝对值电路的参考设计。
▲ 图4.4.1 相同电阻值构成高精度绝对值电路
▲ 图4.4.2 高输入阻抗的绝对值电路
※ 电路总结 ※
利用二极管完成对信号的整流，求取绝对值等具有很多的应用。然而在小信号下，二极管的前向导通电压以及相应的杂散电容会对信号整流带来严重的影响。本文从“马场清太郎”所著的“运算放大器应用电路设计”中摘取了一些典型应用电路，让我们看清在二极管中的理想与现实。
参考资料
[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
