這篇文章是 AAC 的模擬電路集的一部分，討論了一個(gè)有趣的電路，其中運(yùn)算放大器和普通二極管一起工作以創(chuàng)建超級(jí)二極管。

二極管是我們?cè)缌私獾?a href="http://www.udpf.com.cn" target="_blank">電子元件之一。它們的重要性可能不會(huì)立即變得清晰——但一段時(shí)間后，我們就會(huì)明白，在許多情況下，電路需要相當(dāng)于單向閥的東西。

但是，您肯定知道，二極管不完全是單向閥。是的，電流只能從陽(yáng)極流向陰極，不能從陰極流向陽(yáng)極，但我們還需要處理這種麻煩的正向壓降。在某些情況下，~0.7 V 的壓降（肖特基二極管更少）幾乎不明顯。然而，在其他情況下，這是一個(gè)不小的煩惱，有時(shí)甚至?xí)苟O管變得無(wú)用（例如，當(dāng)您想要整流其幅度與二極管的正向電壓相當(dāng)?shù)恼也〞r(shí)）。

普通二極管將始終具有正向電壓。換句話說(shuō)，理想二極管是不存在的。然而，可以創(chuàng)建一個(gè)模仿理想二極管行為的電路，事實(shí)證明該電路 1) 非常簡(jiǎn)單，2) 只需要一個(gè)普通二極管和一個(gè)其他廣泛使用的電子元件。

該電路稱(chēng)為超級(jí)二極管，它看起來(lái)像這樣：

超級(jí)二極管的功能

在查看仿真之前，我們將對(duì)該電路進(jìn)行定性分析。我們這里顯然有一個(gè)負(fù)反饋連接，但重要的是要認(rèn)識(shí)到運(yùn)算放大器將同時(shí)作為閉環(huán)放大器和開(kāi)環(huán)放大器運(yùn)行。

假設(shè)我們正在使用超級(jí)二極管來(lái)整流正弦波。我們需要某種初始條件，假設(shè)輸入為負(fù)，輸出電壓為 0 V（這是有道理的，因?yàn)檩敵龉?jié)點(diǎn)通過(guò)負(fù)載電阻接地）。在這種初始條件下，運(yùn)算放大器的輸出在負(fù)軌飽和，因此二極管不導(dǎo)通。二極管就像開(kāi)路一樣，反饋連接斷開(kāi)，運(yùn)算放大器只是一個(gè)具有非常高增益的開(kāi)環(huán)放大器。

一旦輸入電壓超過(guò) 0 V，反相輸入（接地）和同相輸入之間就會(huì)出現(xiàn)微小差異。運(yùn)算放大器的非常高增益導(dǎo)致輸出在正軌飽和，這導(dǎo)致正向偏置二極管。二極管現(xiàn)在導(dǎo)通，因此建立了負(fù)反饋路徑。這意味著我們可以應(yīng)用“虛擬短路”近似，即同相輸入端的電壓必須等于反相輸入端的電壓。換句話說(shuō)，一旦輸入電壓變?yōu)檎?，V OUT = V IN。

只要輸入電壓高于 0 V，這種情況就保持有效。一旦 V IN低于地，輸出將嘗試向負(fù)擺動(dòng)，但這將使二極管反向偏置并使運(yùn)算放大器恢復(fù)到原來(lái)的開(kāi)路狀態(tài)-循環(huán)狀態(tài)。輸出再次通過(guò)負(fù)載電阻下拉至地。結(jié)果是一個(gè)近乎完美的整流器：當(dāng)輸入為正時(shí)，輸出等于輸入；當(dāng)輸入為負(fù)時(shí)，輸出固定為 0 V。

我們需要記住的一件事是負(fù)載電阻是電路的組成部分；我們不能將超級(jí)二極管的輸出直接（即沒(méi)有下拉電阻）連接到高阻抗輸入端口，因?yàn)楫?dāng)二極管反向偏置時(shí)，運(yùn)算放大器的反相輸入端基本上是浮動(dòng)的。此外，“反向偏置”超級(jí)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不太一樣，反向偏置二極管的作用類(lèi)似于開(kāi)路。

模擬

這是超級(jí)二極管的 LTspice 實(shí)現(xiàn)：

讓我們應(yīng)用 0.5 V 正弦波。下圖確認(rèn)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做不了，因?yàn)檩斎腚妷河肋h(yuǎn)不會(huì)高到足以使結(jié)正向偏置，但超級(jí)二極管卻表現(xiàn)出色。

如果我們嘗試對(duì)典型的 120/240 VAC 電源線電壓進(jìn)行整流，會(huì)發(fā)生什么情況？可以肯定的是，有些事情非常糟糕——這就是超級(jí)二極管的主要缺點(diǎn)之一。為了使超級(jí)二極管產(chǎn)生給定的輸出電壓，運(yùn)算放大器本身必須產(chǎn)生等于該輸出電壓加上二極管壓降的電壓。換句話說(shuō)，超級(jí)二極管的輸出電壓受限于運(yùn)算放大器的正電源軌，而且該電源軌可能遠(yuǎn)低于您要整流的電壓。

超級(jí)二極管還施加了頻率限制。與任何運(yùn)算放大器電路一樣，運(yùn)算放大器的帶寬會(huì)影響高頻性能。下圖顯示了超級(jí)二極管（非常不起眼）對(duì) 1 MHz 正弦波的整流：

我們可以從向下的斜率看出運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng)開(kāi)始貢獻(xiàn)一些相移，但為什么半周期的向上斜率部分看起來(lái)如此糟糕？AD8606 的增益帶寬積為 9 MHz，那么為什么 1 MHz 信號(hào)的性能會(huì)如此下降？

好吧，請(qǐng)記住，當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，運(yùn)算放大器在負(fù)軌處飽和，運(yùn)算放大器要從這種飽和狀態(tài)中恢復(fù)有點(diǎn)困難。另一個(gè)問(wèn)題是我們違反了運(yùn)算放大器的輸入電壓范圍（AD8606 數(shù)據(jù)表表明輸入電壓不應(yīng)低于負(fù)電源軌）。我不知道 SPICE 仿真在多大程度上準(zhǔn)確地傳達(dá)了這些條件的影響，但我們可以安全地假設(shè)現(xiàn)實(shí)生活中的電路在類(lèi)似情況下也會(huì)表現(xiàn)出某種不良行為。