二極管的妙用

       在今天的電子學(xué)課程中，二極管可能是最被忽視的元件。關(guān)于電阻、電容和電感的原理已有連篇累牘的著述；但二極管的內(nèi)容卻不多見(jiàn)。

       二極管既沒(méi)有線性電路那樣的數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，也沒(méi)有晶體管那樣的“紅毯待遇”。當(dāng)人們驚嘆于這個(gè)元件時(shí)，通常也是在談?wù)撓窆⑹隙O管或隧道二極管這樣的奇特發(fā)明，而這兩者在現(xiàn)實(shí)生活中幾乎都遇不到。

       今天，讓我們向“普通”二極管致以小小的敬意。

二極管的工作原理

       在之前一篇關(guān)于半導(dǎo)體物理的文章中，我提到純硅是一種不良的電導(dǎo)體。這是因?yàn)樵摬牧先狈δ荛L(zhǎng)時(shí)存在的、可移動(dòng)的電荷載流子。雖然價(jià)電子短暫地躍遷到更高能態(tài)時(shí)，熱激發(fā)仍可能產(chǎn)生一些傳導(dǎo)，但這些電子在返回較低能級(jí)之前無(wú)法移動(dòng)很遠(yuǎn)，所以這種效應(yīng)或多或少可以忽略不計(jì)。

       通過(guò)添加摻雜劑可以提高材料的導(dǎo)電性。一些摻雜劑貢獻(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)存在的電子，它們占據(jù)了較高的能級(jí)，且沒(méi)有較低能級(jí)的空位可供返回；這就是所謂的 n 型半導(dǎo)體。其他添加劑則在價(jià)帶中創(chuàng)造了易于接觸的空位（“空穴”）；在這種 p 型材料中，較低能量的電子可以在原子間“滑行”，而無(wú)需被激發(fā)到更高能態(tài)。

       當(dāng) n 型材料與 p 型半導(dǎo)體接觸時(shí)，來(lái)自 n 側(cè)的高能電子會(huì)隨機(jī)擴(kuò)散到 p 側(cè)，然后迅速落入大量的低能空穴中。這會(huì)在結(jié)處產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，達(dá)到熱力學(xué)平衡。n 側(cè)帶正電荷，p 側(cè)帶負(fù)電荷：

       這個(gè)電場(chǎng)會(huì)將任何游蕩到耗盡區(qū)的可移動(dòng)電子推回 n 側(cè)。結(jié)果是在邊界處形成了一個(gè)薄的、導(dǎo)電性差的耗盡區(qū)。

       p-n 結(jié)的電場(chǎng)可以被外部施加的電壓所抵消；如果我們使 p 側(cè)的電壓遠(yuǎn)高于 n 側(cè)，就會(huì)有一些電流流過(guò)。對(duì)于硅來(lái)說(shuō)，當(dāng)正向電壓達(dá)到約 600 mV 時(shí)，結(jié)會(huì)變得明顯導(dǎo)電，盡管在此之前就會(huì)有微安級(jí)的電流流過(guò)。

       傳統(tǒng)的二極管就是一個(gè) p-n 結(jié)。該元件可以被認(rèn)為是一個(gè)基本的電壓控制器件：當(dāng)電壓低于某個(gè)閾值時(shí)，它表現(xiàn)出非常高的電阻：通常超過(guò) 100 kΩ，因此幾乎沒(méi)有電流可以通過(guò)。當(dāng)超過(guò)該閾值時(shí)，二極管開(kāi)始允許更可觀的電流通過(guò)。V-I 曲線最初是指數(shù)型的，但很快，材料的固有電阻開(kāi)始占主導(dǎo)地位。從那時(shí)起，電流與“多余的”施加電壓大致呈線性關(guān)系：

       糾結(jié)于真實(shí)二極管的精確數(shù)學(xué)模型沒(méi)有太大意義，但我關(guān)于 V-I 曲線并非真正指數(shù)型的斷言可能與你在別處聽(tīng)到的相悖。為了支持這一點(diǎn)，我們可以在對(duì)數(shù)尺度上觀察其行為。在這個(gè)視圖中，指數(shù)增長(zhǎng)應(yīng)該呈現(xiàn)為一條直線；然而，二極管的曲線卻明顯彎曲：

       到目前為止，我們討論了稱為正向偏置的情況。如果二極管被反向偏置，即 p 側(cè)的電壓低于 n 側(cè)，該元件理論上保持不導(dǎo)電。嗯……在一定程度上是這樣。

       一種可能的反向偏置情況是，如果反向電壓變得足夠高，電場(chǎng)可以將耗盡區(qū)中偶然出現(xiàn)的電荷載流子加速到一定程度，使其撞擊出其他電子進(jìn)入導(dǎo)帶，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。這些由動(dòng)能產(chǎn)生的豐富載流子使得結(jié)意外地再次導(dǎo)電。

       大多數(shù)二極管被設(shè)計(jì)成使其反向擊穿電壓遠(yuǎn)超器件的預(yù)期工作范圍。而一個(gè)特殊的元件類別，稱為齊納二極管——?jiǎng)t被設(shè)計(jì)為在較低的、經(jīng)過(guò)仔細(xì)校準(zhǔn)的電壓下發(fā)生反向擊穿。無(wú)論哪種方式，一旦超過(guò)閾值，反向偏置的二極管就會(huì)開(kāi)始良好導(dǎo)電：

       現(xiàn)在我們已經(jīng)掌握了基本理論，可以看一些二極管的常見(jiàn)用途了。

電路保護(hù)

       二極管最簡(jiǎn)單的應(yīng)用之一就是電路保護(hù)。讓我們從左側(cè)所示的布置開(kāi)始：

       在第一個(gè)電路中，一個(gè)齊納二極管反向偏置接在受保護(hù)線路和地之間。在正常工作條件下，該二極管保持不導(dǎo)電，但當(dāng)輸入電壓超過(guò)安全極限時(shí)，它會(huì)發(fā)生電氣擊穿，從而暫時(shí)開(kāi)始導(dǎo)電。實(shí)際上，該二極管起到了“撬棍”的作用，耗散能量并保護(hù)下游更精密的元件。專為此目的設(shè)計(jì)的二極管通常作為瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 銷售，對(duì)于保護(hù)半導(dǎo)體免受靜電放電損害尤為重要。另一個(gè)應(yīng)用是抑制當(dāng)我們突然切斷供給電機(jī)和其他感性負(fù)載的電流時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。

       單個(gè)二極管只能用于保護(hù)輸入信號(hào)具有確定極性的輸入，即其中一條線總是比另一條線更正。為了給極性交替的交流信號(hào)提供過(guò)壓保護(hù)，我們轉(zhuǎn)而依賴上圖右側(cè)所示的雙二極管布置。這種元件組合也以雙向 TVS 的單封裝形式提供。

       在后一個(gè)電路中，無(wú)論施加電壓的極性如何，“撬棍”路徑總是由一個(gè)正向偏置的二極管與一個(gè)反向偏置的二極管串聯(lián)而成。因此，正向和負(fù)向的導(dǎo)通閾值是相同的：它們等于二極管的反向偏置擊穿電壓，再加上大約 600 mV。

       最下方的圖顯示了另一種保護(hù)技術(shù)。一個(gè)具有高反向擊穿電壓的普通正向偏置二極管與電源串聯(lián)；這種布置可以防止在電源極性意外接反（例如電池裝反）時(shí)損壞敏感元件。其代價(jià)是 p-n 結(jié)上不可避免的電壓降，以及如果電流很高時(shí)的阻性發(fā)熱，因此通常首選基于晶體管的解決方案，尤其是在低壓電路中。

用二極管作電壓基準(zhǔn)

       如前所述，大多數(shù)二極管被設(shè)計(jì)為能承受非常高的反向偏置電壓，通常超過(guò) -100 V；盡管如此，一個(gè)特殊的產(chǎn)品類別：齊納二極管，被設(shè)計(jì)為在此之前就開(kāi)始導(dǎo)電。

       當(dāng)正向偏置時(shí)，這種二極管的行為與其常規(guī)對(duì)應(yīng)物相同，在 600 mV 左右變得明顯導(dǎo)電。當(dāng)反向偏置時(shí)，它會(huì)在制造商選擇的更高電壓下開(kāi)始導(dǎo)電，常見(jiàn)選項(xiàng)范圍從 1.8 V 到 30 V。

       本文前面顯示的 V-I 圖告訴我們，一旦反向擊穿開(kāi)始，施加電壓的微小變化就可以在流過(guò)的電流中產(chǎn)生相對(duì)較大的擺幅。我們也可以從另一個(gè)角度來(lái)看：如果通過(guò)二極管的電流以某種方式受到限制，那么該電流的波動(dòng)對(duì)二極管兩端產(chǎn)生的電壓影響相對(duì)較小。

       這一觀察結(jié)果使得二極管可用作電壓基準(zhǔn)。我們使用一個(gè)未穩(wěn)壓的電源，例如電池，在最簡(jiǎn)單的變體中，使用一個(gè)電阻來(lái)大致限制流過(guò)二極管的電流。根據(jù)你想要的電壓，你可以使用一個(gè)或多個(gè)正向偏置的二極管、一個(gè)反向偏置的齊納二極管，或它們的某種組合。

       根據(jù)歐姆定律，電阻允許的電流將隨電源電壓線性變化 (I = V/R)，但這些電流波動(dòng)對(duì)二極管電壓的影響要小得多。這是一個(gè)用 1N4733 二極管和 100 Ω 電阻構(gòu)建的電路的實(shí)驗(yàn)圖：

       輸出電壓的擺幅不到輸入信號(hào)波動(dòng)的 5%：45 mV 對(duì) 1 V。這個(gè)數(shù)字聽(tīng)起來(lái)可能不那么令人印象深刻，但該電路可以級(jí)聯(lián)：一個(gè)電阻-二極管電壓基準(zhǔn)的輸出可以用作第二個(gè)電壓基準(zhǔn)的電源電壓。效果是疊加的：5% 的 5% 等于 0.25%。

       當(dāng)然，第一個(gè)二極管的齊納電壓應(yīng)該高于第二個(gè)。此外，為了使級(jí)聯(lián)布局正常工作，我們需要確保第二級(jí)吸收的電流遠(yuǎn)低于流經(jīng)預(yù)期電阻-二極管路徑的電流。確保這一特性的一種方法是選擇 R1? R2。另一種解決方案是用一個(gè)晶體管電路來(lái)隔離這兩個(gè)階段，該電路鏡像第一級(jí)的輸出電壓供第二級(jí)使用；這種電壓跟隨器電路在這里討論。

       如今，對(duì)于精密應(yīng)用，人們更青睞帶有溫度補(bǔ)償?shù)?、更?fù)雜的基于晶體管的電路。盡管如此，齊納二極管在緊要關(guān)頭仍然提供了一個(gè)可行的解決方案。

整流器與包絡(luò)跟隨器

       

       這個(gè)電路稱為半波整流器。如果我們以標(biāo)記為 B 的底部輸出支路作為所有電路電壓的參考點(diǎn)，然后分別評(píng)估輸入交流波形的正半周期和負(fù)半周期，分析是最簡(jiǎn)單的：

       在正弦波的正半周期，當(dāng)電源的上部端子為正時(shí)，二極管最初是正向偏置的。假設(shè)信號(hào)源阻抗較低，這允許電容器充電到等于輸入信號(hào)峰值幅度減去某個(gè)二極管壓降的電壓。

       當(dāng)信號(hào)極性反轉(zhuǎn)時(shí)，使上部電源端子為負(fù)，二極管變?yōu)榉聪蚱们也粚?dǎo)電，因此電容器保持電荷。以下是該過(guò)程的離散時(shí)間仿真；我在輸出端子上添加了一個(gè)適度的阻性負(fù)載，以便在每個(gè)正峰值之間輕微地對(duì)電容器放電：

       如果負(fù)載電阻成為電路的永久部分，并且其選擇使得電容器放電足夠快，以跟上傳輸波的幅度調(diào)制，我們就得到了一個(gè)稱為包絡(luò)跟隨器的電路。該電路是在 AM 廣播電路中從載波信號(hào)中提取近似調(diào)制波形的簡(jiǎn)單方法：

       如果我們想構(gòu)建一個(gè)測(cè)量音頻信號(hào)近似響度的電路，或者更一般地，想鎖定任何復(fù)合波形中緩慢變化的成分，也可以使用相同的原理。

       半波整流器的缺點(diǎn)是電容器僅由正弦波的正半周期充電；如果目標(biāo)是最大化傳遞給負(fù)載的功率，這是浪費(fèi)的。這個(gè)缺陷可以通過(guò)構(gòu)建一個(gè)全波整流器來(lái)解決，如下所示：

       再次強(qiáng)調(diào)，如果我們考慮輸出 B 為參考點(diǎn)，電路的分析是最簡(jiǎn)單的：

       在正半周期，二極管 D1 和 D2 最初是正向偏置的；這允許電容器充電到交流峰值電壓（減去兩個(gè)二極管的壓降總和）。在負(fù)半周期，二極管 D3 和 D4 變?yōu)檎蚱?，這將輸出 B 連接到上部電源端子。同時(shí)，當(dāng)前處于更高電壓的底部電源端子連接到 A 點(diǎn)。這允許電容器繼續(xù)以與之前相同的極性充電。

       該過(guò)程的仿真如下所示：

倍壓器

       上一節(jié)中概述的整流器電路使用二極管作為電壓控制開(kāi)關(guān)。相同原理的另一個(gè)應(yīng)用是稱為倍壓器的電路。

       倍壓器有多種形式，但一種特別簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)如下所示。該電路輸出的直流電壓等于以零為中心的輸入波形峰值幅度的兩倍，減去通常的二極管壓降。這與前面討論的整流器電路形成對(duì)比，后者僅產(chǎn)生接近峰值幅度的直流電壓：

       這次，讓我們使用兩個(gè)電容器之間的中點(diǎn)作為電壓測(cè)量的參考點(diǎn)。在交流信號(hào)的正半周期（左側(cè)面板），上方的二極管 (D1) 可以導(dǎo)通，為頂部電容器充電。這使輸出端子 A 相對(duì)于中點(diǎn)處于正電壓。

       接下來(lái)，讓我們看看負(fù)半周期（右側(cè)）。在這種情況下，頂部二極管始終是反向偏置的，因此它不導(dǎo)電；C1 保持電荷。同時(shí)，下方的二極管 D2 可以導(dǎo)通，它為 C2 充電，使得輸出端子 B 相對(duì)于中點(diǎn)最終處于負(fù)電壓。實(shí)際上，我們將輸入波形的正峰值電壓存儲(chǔ)在 C1 中，將負(fù)最大值存儲(chǔ)在 C2 中。B 和 A 之間的總電壓是 V(peak) *2（再次強(qiáng)調(diào)，減去預(yù)期的二極管壓降）。

       這種用開(kāi)關(guān)電容器倍增電壓的方法至今仍在使用，盡管現(xiàn)代電路通常使用數(shù)字控制的晶體管代替二極管；這避免了電壓降，并且不需要交流電壓源。

直流恢復(fù)器

       大多數(shù)時(shí)候，以零伏為中心的交變波形處理起來(lái)很不方便；特別是，構(gòu)建那些依靠單電壓供電，但又能辨別、放大或產(chǎn)生低于負(fù)電源軌的信號(hào)的電路更具挑戰(zhàn)性。

       這給我們帶來(lái)了一種有點(diǎn)繞的替代方法。該電路稱為鉗位器,或者，更不那么隱晦地說(shuō)，直流恢復(fù)器。它獲取一個(gè)交流波形并將其平移，使得負(fù)峰值大致在零伏，而對(duì)信號(hào)幅度沒(méi)有明顯影響：

       暫時(shí)，讓我們忽略可選的電阻。我們從輸入正弦波的第一個(gè)正半周期開(kāi)始（左上）：

       最初，電容器未充電 (V(cap) = 0 V)；此外，沒(méi)有通過(guò)二極管的電流路徑，因此無(wú)法充電。詳細(xì)說(shuō)明：為了使能量存儲(chǔ)在電容器中，流入和流出極板的電荷運(yùn)動(dòng)必須對(duì)稱。這樣，由此產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，一個(gè)極板上越來(lái)越正，另一個(gè)極板上越來(lái)越負(fù)，在很大程度上相互抵消，允許借助適度的電壓移動(dòng)不可忽略的電荷。

       如果電容器的一個(gè)引腳懸空，該器件就不能充電或放電；相反，其先前的充電狀態(tài)會(huì)以電壓的形式持續(xù)存在于其端子上。如果我們拿一個(gè)充電到 1 V 的電容器，將其一個(gè)引腳連接到 10 V 電源，另一個(gè)引腳相對(duì)于地將讀到 11 V。如果將其連接到 -5 V 電源，我們將得到 -4 V 的讀數(shù)。這與將電池與另一個(gè)電壓源串聯(lián)沒(méi)有區(qū)別。在我們的電路中，初始 V(cap) = 0 V，所以在正半周期，電容器不增加任何東西，輸出引腳 A 上的電壓只是跟隨輸入波形。

       在隨后的負(fù)半周期中，一旦 A 點(diǎn)的電壓達(dá)到約 -600 mV，二極管開(kāi)始導(dǎo)通（右上）。這將 A 點(diǎn)的電壓鉗位，同時(shí)允許電容器充電，使其左側(cè)端子相對(duì)于右側(cè)端子變?yōu)樨?fù)。如果我們從左到右測(cè)量 V(cap)，得到的電壓是正的，等于電源信號(hào)的峰值幅度（減去二極管壓降）。

       在接下來(lái)的正周期中，二極管再次變?yōu)榉聪蚱?，因此電容器必須保持其先前的電荷；這意味著 V(cap) 保持不變，并且 A 點(diǎn)的電壓必然從輸入波形偏移了該量。如果輸入波形在 -V(peak) 到 +V(peak) 之間運(yùn)行，則輸出現(xiàn)在將從大約 -600 mV 移動(dòng)到 V(peak)*2 – 600 mV。

       可選負(fù)載電阻的作用是，它控制電路響應(yīng)信號(hào)幅度逐漸變化的能力。沒(méi)有它，電路理論上會(huì)永遠(yuǎn)卡在由遇到的最大單周期輸入波形擺幅決定的電壓偏移上。有了電阻，電容器可以隨時(shí)間放電，因此如果波形的包絡(luò)以某種方式發(fā)生變化，偏移量也可以改變。

       在實(shí)踐中，二極管的漏電流和電容器的自放電率通常足以使電路在沒(méi)有輸出電阻的情況下也能合理工作。如果你想嘗試這種布局，我建議使用 10-100 μF 的電容器，并且要么省略電阻，要么使用一個(gè)大電阻 (1 MΩ)。

基于二極管的邏輯

       在或門電路（左）的情況下，如果正電源軌連接到任何輸入端子，這將使相應(yīng)的二極管正向偏置，并導(dǎo)致電流流過(guò)電阻。因?yàn)檎蚱枚O管的阻抗遠(yuǎn)低于 10 kΩ 電阻的阻抗，所以輸出電壓會(huì)飆升到非常接近上電源軌。

       與門電路（右）的工作方式基本相反：如果任何輸入連接到地，這會(huì)將輸出電壓拉近 0 V，因此只有當(dāng)兩個(gè)輸入都為高電平（或懸空）時(shí)，輸出才為正。

       我在插圖中給“門”加上所謂的引號(hào)，是因?yàn)檫@些電路不容易組合以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)字邏輯；每個(gè)門都需要電流流過(guò)輸入端子，但它不一定能在其輸出引腳上傳遞這樣的電流。一個(gè)特別麻煩的情況如下所示：

       在圖示的輸入信號(hào)下，四個(gè)二極管中有三個(gè)是反向偏置的；唯一的電流路徑是正電源軌和地之間的串聯(lián)電阻-二極管-電阻連接。該電路本質(zhì)上是一個(gè)基于電阻的分壓器；它沒(méi)有提供二元輸出，而是產(chǎn)生了一個(gè)模糊的中間電壓。

       換句話說(shuō)，該解決方案適用于單步邏輯；要構(gòu)建真正的計(jì)算機(jī)，我們需要那些能夠提供比它們作為上游門輸入所需求的電流更高的輸出電流的門。