二极管的正向压降(死区电压)对于二极管做自动开关作用时的的影响较为明显,尤其是在幅值不大的信号通过时,情况应该比较明显。
为验证这一现象,设计了一个最为简单的峰值采样电路,在该电路中,二极管作为自动开关,用于在电压为上升期时对电容充电,采样峰值信号,电压下降期时截止电路,使电容保持采样的电压信号。
实验采用如下电路:
实验采用1N5400整流二极管,该二极管最大正向压降为0.95V,最高反向耐压为50V,最大正向电流3A,最大反向漏电电流50μA。100Ω电阻用于限流,电容选用的是33pF的小电容,是为了降低充电时间,保证及时采样。电容选用的是瓷介电容,目的有两个,一个是为了保证电容的耐压,一个是因为瓷介电容的等效并联电阻Rp较小,反向漏电电流较小,能在较长的时间内保持电压。
试验中用数字信号源给出一个100Hz的正弦信号,峰值为4.0V,希望能测到显著的压降和电容的保持效果。但是实验中出现了明显的问题,现进行讨论:
1、如何测量工作中的二极管的正向压降?
试验中,一开始用数字万用表的直流电压档直接测量二极管两端的电压,结果出现负值和正值的摆动,读数不稳定。经过思考,发现二极管的阳极接的
是一个交流信号源,阴极接的是一个基本固定的直流电位。实际上也就是本实
验的原理是二极管工作在一个快速转换的开关状态,所以这种测量方法是严重
错误的。
后来转为万用表黑表笔接在地端,首先测量二极管正极的电压峰值,而后测量阴极端的电压峰值。应该说,我的思路在原理上是正确的,但是试验中发
现两个问题:测量阳极时,读数变化太快,难以确定是否为峰值。测量阴极时,
电压读数迅速下降。前者仍然是由于交流信号不宜使用万用电表测量的原因。
后者则是由于实际万用电表在电压档仍然是存在内阻的,虽然该内阻为MΩ
multisim开关在哪里级,但是对于pF级别的电容而言,仍然会造成放电现象,因此该测量方法在
实际上也是行不通的。
考虑到这一点,采用双综示波器进行测量,一个频道测量二极管阳极,一个信号测量阴极,但是同样由于示波器的输入阻抗为10M欧姆(示波器1M
Ω+探头9MΩ),所以难以测量。因此采用一个稍大的电容:0.33μF作为采
样电容,降低负载对于电路的影响。
经过这样处理之后,实验检测得到的电路数据如下:
根据数字示波器显示的波形
电容器首次建立起峰值电压的时间:2.8ms
之后每次二极管阴极电压从波谷到峰值消耗的时间:1.0ms
应该说,基本上电路达到了实验目的,可以观察出电路中二极管的正向压降大概在0.46V左右。然后这个峰值采样电路的原理也是基本可行的。但是实验数据仍然反映出两个问题:首先,每次电容采样峰值电压所需要的时间较长。
其次,电路对后级电路的阻抗要求过于苛刻
2、如何解决上述两个问题问题:采样时间的限制因素主要是充电回路的时间常
数,一个是限流的电阻,一个是电容的大小。限流的电阻需要考虑和二极管的最大正向电流相匹配,同时还得考虑到一半电阻的功率为0.25W,对于功率也有限制。考虑电压幅值较高,按照比较坏的情况考虑,分压为10V的情况下,电流应该在25mA以下,所以需要用的电阻在500Ω左右。但是这样成倍提高了电路的充电时间,可能导致尖峰电压无法采样。而且浪费了3A的二极管电流余量。
另外一方面,电容的容量因为为了降低负载阻抗对电路的影响而提高了许多,也是电路采样时间过长的
原因。所以可以考虑具有缓冲隔离作用的射极跟随器电路作为输出的缓冲级。加上这样的一个电路之后应该能隔离后级电路对于前级测量电路的影响。可以总结出一条规律就是:为了保证前级测量电路的灵敏度,前级测量电路通常都采用小阻抗高灵敏的电路,因此带负载的能力常常是不足的,所以应该采用一个射极跟随器作为缓冲,保证能够在不失真的条件下将信号传递给后级电路。
而且应该说,增加了射极跟随器之后,缓解了对于电容容量的限制,使得可以采用更加小的电容来做测量,而且也可以通过购置功率大阻值小的电路来充分利用二极管的正向电流余量。
3、如何解决这个0.46V的正向压降问题。
正如我在第二次作业中的陈述,采用一个同向放大电路可以解决这个问题,在multisim软件中模拟的情况如下图所示:
上页图为示波器采样出的二极管阴极端的电压。上图为两个试验电路。上面的电路是加入放大器之后的电路,下图是未加入放大器的电路。可以从电路中看到,加入放大器之后,二极管的正向电压降得到了补偿。未加入放大器的电路中,二极管存在明显的压降,放大细节如下图:
可以看到存在0.72V的压降。
而在加入放大器的电路中,则没有这个问题,
在实际试验中,使用了LM324来尝试同样的电路,在相同的条件下,可以达到良好的效果,但是仍然存
在一定的压降:
率给定电压下,二极管的压降是固定的,这个是固定的误差,可以补偿或者处理。但是可以发现,受限制于运算放大器的频率响应特性、电压建立时间,该电路的测量值随着输入信号的频率增加而下降。这个是硬件特性决定的,无法通过电路结构来补偿,所以可以采用电压建立时间短的高速运算放大器芯片和快恢复二极管。
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