二极管应用电路分析

知识储备

二极管是一种非线性器件，严格分析二极管电路需要采用非线性电路的分析方法。为了简化分析，常常采用其等效电路模型进行近似估算。在不同的条件下，应该采用不同的等效电路模型进行分析，常用的等效电路模型主要包括以下3种。

（1）理想模型。

二极管的理想模型是指把二极管当作开关使用。当处于正向偏置时，二极管导通，其正向电阻很小，可忽略不计，相当于开关闭合；当处于反向偏置时，二极管截止，其反向电阻为无穷大，相当于开关断开。理想的二极管伏安特性曲线及等效电路如图 1.15所示。在实际电路中，当电源电压远大于二极管的导通压降时，可以利用此模型近似分析电路。

图1.15　理想模型伏安特性曲线及等效电路

（a）伏安特性；（b）等效电路

（2）恒压降模型。

在实际电路中，当电源电压没有远大于二极管的导通压降时，理想模型不准确，需要用其他电路模型代替理想模型。二极管导通时，只要流经二极管的电流大于1 mA，其管压降可认为是一个恒定值，不随电流而变化，硅管的典型值为0.7V，锗管的典型值为0.3V，其伏安特性曲线及等效电路如图1.16所示。

图1.16　恒压降模型伏安特性曲线及等效电路

（a）伏安特性；（b）等效电路

（3）折线模型。

为了更精确地描述二极管的非线性特性，二极管的管压降不再认为是恒定值，而是随着电流增加而增加，在模型中用等效直流电源和一个电阻来近似二极管的非线性特性，这种模型称为折线模型，其伏安特性曲线及等效电路如图1.17所示。

图1.17　折线模型伏安特性曲线及等效电路

（a）伏安特性；（b）等效电路

1.限幅电路分析

限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。下面以图1.18所示电路为例分析电路的工作原理。

图1.18　限幅电路示例

（a）限幅电路；（b）输入波形

图1.18中电源电压没有远大于二极管的导通压降，所以选择恒压降模型比较准确。假设二极管为硅管，导通压降为0.7V，根据二极管的单向导电性，当二极管阳极电位高于阴极电位0.7V时，二极管导通，输出电压被钳制在2.7V；当二极管阳极电位低于阴极电位时，二极管截止，回路中不存在电流，电阻R上无压降，输出电压与输入电压相同。分析二极管电路，往往按二极管导通条件将输入信号分为几个区间一一进行讨论。

输入2.7V≤ui≤5 V时，二极管导通，uo=2.7V；输入-5 V＜ui＜2.7V时，二极管截止，uo=ui，画出输出波形如图1.19所示。

2.电平选择电路分析

从多路输入信号中选出最低或最高电平的电路称为二极管电平选择电路。电平选择电路中往往包括多个二极管，这就涉及“优先权”这个非常重要的概念。下面以图1.20所示电路为例进行介绍。设二极管正向压降为0.7V，分析不同输入信号时输出电压应为多大。

图1.19　限幅电路输出波形

图1.20　电平选择电路示例

二极管限幅电路的 仿真分析

分析时，可先假设二极管断开，然后判断加在二极管两端的正向电压（即阳极、阴极之间电压）是否大于导通电压，若大于导通电压，则二极管导通；否则二极管截止。

（1）当UI1=0 V、UI2=0 V时，假设两二极管截止，电路中无电流，则VD1阳极端电位UO为5 V，VD1两端加的正向电压为UO-U11=5 V ，大于导通电压，VD1导通。同理，VD2也导通。输出UO=0.7V，见表1.1。

表1.1　电平分析

（2）当UI1=0 V、UI2=3 V时，两个二极管都具备导通条件。如果需要VD1导通，UO至少为0.7V；如果需要VD2导通，UO至少为3.7V。因为VD1导通需要的条件较低，所以VD1优先导通。VD1导通后，输出UO被钳制在0.7V，VD2阳极电位小于阴极电位，自动进入截止状态。

（3）当UI1=3 V、UI2=0 V时，分析过程同（2），此时VD2优先导通，输出被钳制在0.7V，VD1进入截止状态。

（4）当UI1=UI2=3 V时，VD1和VD2同时导通，UO=3.7V。

可见，输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，图1.20所示的电平选择电路也称为与门电路。

将图1.20所示电路中的VD1与VD2反接，将电源电压改为负值，则变为高电平选择电路。如果输入也为数字量，则该电路就变为或门电路。(www.xing528.com)

3.二极管主要参数

无论是电路设计还是电子设备的维修，元器件的选择都是一个需要面对的问题。在整流电路中，最重要的就是选择合适的二极管。二极管的特性可以用它的参数来表示，参数是正确使用和选择二极管的依据，在半导体手册中可以查到每种型号元器件的相关参数。二极管的主要参数包括以下几个。

1）最大整流电流IF

最大整流电流IF是指二极管允许通过的最大正向平均电流。当电流超过IF，二极管将会因为过热而烧毁。

2）最大反向工作电压URM

最大反向工作电压URM是指二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿。为了留有余地，保证二极管的正常工作，通常取击穿电压的一半作为URM，即留有一倍的余量。

3）反向饱和电流IR

反向饱和电流IR又称最大反向电流，是指二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流。IR越小，说明管子的单向导电性越好，即二极管工作在反偏状态时越接近理想的开关断开状态。IR的大小只与温度有关系，温度越高，IR越大，所以使用时要注意温度的影响。

4）最高工作频率fM

如果二极管的工作频率超过fM所规定的值时，单向导电性将受到影响。此值由PN结结电容所决定，因此在更换、挑选工作频率高的二极管时要特别加以注意。

5）反向恢复时间tre

指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。

上述参数为二极管几个重要的参数，其中IF、URM、fM为3个极限参数，在实际使用中不能超过且留有一定的余量，在极限参数满足条件的前提下，IR的值越小越好。

自测习题

1.题1图中二极管导通电压UD=0.7V，已知ui=5 sinΩt（V），试画出ui与uo的波形，并标出幅值（分别用理想和恒压降模型）。

题1图

自测习题答案

2.求解题2图所示各电路输出电压值，二极管导通电压为0.7V。

题2图

3.电路如题3图所示，设电路中的二极管为理想二极管，试求各电路中的输出电压UAB。

题3图