当二极管根本不够好时：超级二极管

这篇文章是 AAC 的模拟电路集的一部分，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超级二极管。

二极管是我们早了解的电子元件之一。它们的重要性可能不会立即变得清晰——但一段时间后，我们就会明白，在许多情况下，电路需要相当于单向阀的东西。

但是，您肯定知道，二极管不完全是单向阀。是的，电流只能从阳极流向阴极，不能从阴极流向阳极，但我们还需要处理这种麻烦的正向压降。在某些情况下，~0.7 V 的压降（肖特基二极管更少）几乎不明显。然而，在其他情况下，这是一个不小的烦恼，有时甚至会使二极管变得无用（例如，当您想要整流其幅度与二极管的正向电压相当的正弦波时）。

普通二极管将始终具有正向电压。换句话说，理想二极管是不存在的。然而，可以创建一个模仿理想二极管行为的电路，事实证明该电路 1) 非常简单，2) 只需要一个普通二极管和一个其他广泛使用的电子元件。

该电路称为超级二极管，它看起来像这样：

在查看仿真之前，我们将对该电路进行定性分析。我们这里显然有一个负反馈连接，但重要的是要认识到运算放大器将同时作为闭环放大器和开环放大器运行。

假设我们正在使用超级二极管来整流正弦波。我们需要某种初始条件，假设输入为负，输出电压为 0 V（这是有道理的，因为输出节点通过负载电阻接地）。在这种初始条件下，运算放大器的输出在负轨饱和，因此二极管不导通。二极管就像开路一样，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出现微小差异。运算放大器的非常高增益导致输出在正轨饱和，这导致正向偏置二极管。二极管现在导通，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值，V OUT = V IN。

只要输入电压高于 0 V，这种情况就保持有效。一旦 V IN低于地，输出将尝试向负摆动，但这将使二极管反向偏置并使运算放大器恢复到原来的开路状态-循环状态。输出再次通过负载电阻下拉至地。结果是一个近乎完美的整流器：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；我们不能将超级二极管的输出直接（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”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不太一样，反向偏置二极管的作用类似于开路。

这是超级二极管的 LTspice 实现：

让我们应用 0.5 V 正弦波。下图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做不了，因为输入电压永远不会高到足以使结正向偏置，但超级二极管却表现出色。

如果我们尝试对典型的 120/240 VAC 电源线电压进行整流，会发生什么情况？可以肯定的是，有些事情非常糟糕——这就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限于运算放大器的正电源轨，而且该电源轨可能远低于您要整流的电压。

超级二极管还施加了频率限制。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。下图显示了超级二极管（非常不起眼）对 1 MHz 正弦波的整流：

我们可以从向下的斜率看出运算放大器的频率响应开始贡献一些相移，但为什么半周期的向上斜率部分看起来如此糟糕？AD8606 的增益带宽积为 9 MHz，那么为什么 1 MHz 信号的性能会如此下降？

好吧，请记住，当输入电压为负时，运算放大器在负轨处饱和，运算放大器要从这种饱和状态中恢复有点困难。另一个问题是我们违反了运算放大器的输入电压范围（AD8606 数据表表明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。