二極管屬于半導(dǎo)體器件的一種，應(yīng)用在一般電子電路的半導(dǎo)體，依照性質(zhì)的不同可以分成P型與N型兩種，如果利用P型→N型性質(zhì)改變所構(gòu)成的PN接合，就可以制作二極管(Diode)器件，除此之外使金屬與半導(dǎo)體接觸，利用Schottky接合的電氣特性，同樣可以制作二極管器件。二極管具備兩個端子，它的外形隨著用途的不同有許多形狀，不過基本上二極管的動作原理卻完全相同。本文要介紹二極管的基本功能，同時針對泛用二極管進(jìn)行模擬分析，藉此探討二極管動作時的電流與電壓決定方法。
二極管的動作原理
表1是目前常用二極管的特性與分類一覽；圖1是利用萬用電壓源VSRC，對泛用小信號二極管施加直流電壓的測試電路；圖2是針對二極管以0.01V為刻度，從-2V到+2V對二極管兩端施加電壓VD時，利用DC模擬分析電流ID的結(jié)果，根據(jù)分析結(jié)果可知電壓VD低于0.6V時ID接近零，電壓VD一旦超過0.6V的話，正向(從正極朝負(fù)極方向)電流會急遽涌現(xiàn)，類似這樣的電流流動特性我們稱它為「電流單向流動特性」。
正向流動的電流稱為「順向電流IF」 (F表示Forward)，接近零的負(fù)向流動電流則稱為「逆向電流IR」(R表示Reverse)，順向電流流動時發(fā)生的電壓稱為「順向電壓VF」，逆向電流流動時發(fā)生的電壓稱為「逆向電壓VR」。
表1 二極管的特性與分類
圖1 檢測二極管電壓-特性的仿真電路
圖2 二極管的電壓、電流特性
圖3是利用上述相同模擬方式，計算二極管從VD到ID的等價性阻抗RD，依此描繪的坐標(biāo)圖，必需注意的是圖中的縱軸為對數(shù)刻度，以及VD = 0V時出現(xiàn)的計算誤差。由圖可知RD是以VD = 0.6V為界線，如果VD < 0.6V時，等價性阻抗RD會急遽升高接著迅速降低，這種現(xiàn)象若以機(jī)械開關(guān)作比喻，RD很高時如同開關(guān)的接點(diǎn)呈OFF狀態(tài)， 很低時開關(guān)的接點(diǎn)則變成呈ON狀態(tài)，換句話說二極管可以從外部控制兩端發(fā)生的電壓，進(jìn)行無接點(diǎn)的開關(guān)(Switch)動作。
圖3 二極管兩端的電壓超過0.6V時的特性
圖4的測試電路先將二極管D1串聯(lián)1KΩ電阻接著連接電壓源V1；圖5是對二極管的兩端以0.01V為刻度，從-5V到+5V施加電壓 ，接著再用DC進(jìn)行模擬分析獲得的結(jié)果，由圖可知由于二極管的V1在-5V ~ +0.6V之間為OFF，測試電路幾乎沒有電流流動，因此V1的電壓變成直接施加狀態(tài)，亦即VD = V1，不過V1一旦超過+0.6V二極管會成為ON狀態(tài)，VD = V1的關(guān)系立即消失成為+0.6V一定值，由此可知二極管ON時，兩端產(chǎn)生的電壓VF與電流無關(guān)，它幾乎是呈一定值的定電壓器件。
雖然VF值隨著二極管的種類與順向電流改變，不過一般小信號硅二極管器件的VF 0.6V，大功率的場合VF 0.8V。
圖4 二極管與電阻串聯(lián)的電路
圖5 二極管的順向電壓即使超過0.6V時的特性
圖4的二極管順向電流IF是電阻產(chǎn)生的電壓從V1減掉VF的結(jié)果，它可以用下式表示:
圖6是用圖5相同條件改變V1，依此進(jìn)行二極管電流模擬分析所獲得的結(jié)果，圖中「×」表示式(1)計算式之中，VF = 0.6V時的順向電流，根據(jù)模擬分析的結(jié)果顯示它與計算值非常接近，換言之利用式(1)可以輕易求得二極管的順向電流。
圖6 二極管的電流與計算結(jié)果一致
電阻與二極管構(gòu)成的應(yīng)用電路
（一） 圖7是可以輸出交流信號正極端的正輸出半波整流電路，輸入信號為2Vpeak , 1kHz正弦波；圖8是利用過渡分析模擬范圍0 ~ 2ms時各部位的波形獲得的結(jié)果，由圖可知輸入電壓超過+0.6V時D1變成ON，因此產(chǎn)生輸出電壓Voutput，此時的Voutput比Vinput二極管的順向電壓VF 0.6V低。
圖9是圖8時間軸的放大圖，由圖可知Vinput若超過+0.6V，Voutput便開始站立，Vinput低于+0.6V時D1變成OFF，Voutput幾乎成為0V。值得一提的是圖7電路，它的輸入信號同時具備控制二極管的ON/OFF功能，雖然雙極晶體管(Bipolar Transistor)與FET，也擁有可以控制器件ON/OFF的專用端子，不過二極管卻沒有控制端子，因此二極管器件利用外部電路改變器件兩端的電壓與電流，才能達(dá)成控制電流ON/OFF的目的。
根據(jù)奧姆法則可知負(fù)載阻抗的電流IRL，可以用下式表示:
它的波形與圖8的Voutput完全相同。
圖7 可以輸出交流信號正極端的正輸出半波整流電路
圖8 正輸出半波整流電路的各部位波形
圖9 輸出比輸入低VF 0.6V
（二） 圖10是可以抓取交流信號負(fù)極端的負(fù)輸出半波整流電路，它與圖7最大差異是二極管的方向；圖11是利用過渡分析模擬范圍0 ~ 2ms時各部位波形所獲得的結(jié)果，由于二極管的方向相反，當(dāng)Vinput低于+0.6V時，D1變成ON只能輸出負(fù)的半波Voutput，D1 ON時Voutput與Vinput兩者的電位差VF則變成+0.6V左右，此外Voutput只會輸出負(fù)的電壓，因此負(fù)載阻抗的電流IRL與圖8的極性相異成為逆極性(從RL算起二極管變成吸入方向)。
圖10 可以抓取交流信號負(fù)極端的負(fù)輸出半波整流電路
圖11 負(fù)輸出半波整流電路的各部位波形
（三） 圖12是可以去除(Cut)交流信號負(fù)極端的負(fù)電壓Clamp電路，欲去除負(fù)振幅時經(jīng)常使用本電路；圖13是利用過渡分析模擬范圍0 ~ 2ms時各部位波形所獲得的結(jié)果，由圖可知輸入電壓Vinput超過-0.6V時D1變成OFF，輸出電壓Voutput變成Voutput，如果Vinput低于-0.6V的話，D1會變成ON，由于Voutput與Vinput的振幅無關(guān)，因此會固定變成-0.6V一定值，而且還它會自動去除比輸入信號-0.6V更低部份。
使用由二極管構(gòu)成的Clamp電路時，必需注意Clamp動作期間，二極管內(nèi)會有(Vinput - VF) / R1決定的電流流動，例如圖13的電路中二極管內(nèi)有峰值2V - 0.6V / 1kΩ = 1.4mA的電流流動。
圖12 Cut交流信號負(fù)極端的負(fù)電壓Clamp電路
圖13 負(fù)電壓Clamp電路各部位的波形
電容與二極管構(gòu)成的應(yīng)用電路
圖14是利用變壓器將絕緣的交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號的轉(zhuǎn)換電路，本電路是由半波整流電路與電容構(gòu)成，它可以應(yīng)用在電源電路與AM(振幅變調(diào))檢波電路。
圖14 電源用半波整流電路與平整電路的組合
圖15是為了進(jìn)行模擬分析，依照圖14器件與電路定數(shù)設(shè)計的電路圖，圖中的變壓器2次端輸出改成萬用電壓源VSRC，二極管則使用一般整流用D1N60二極管；圖16是將V1設(shè)定5Vpeak正弦波，接著再利用過渡分析模擬范圍0 ~ 40ms時各部位波形，由圖16的分析結(jié)果可知只有半波整流電路，可以變成圖8的Voutput正弦波的半波，此時若將電容插入的話，隨著連接輸出波形山峰之間的波動，會變成直流信號。
圖15 半波整流平整電路的仿真分析
根據(jù)奧姆法則，負(fù)載阻抗的電流IRL可以用下式表示:
由于IRL與Voutput呈比例，因此波形與Vinput相同。
圖16 半波整流平整電路的各部位波形
圖17是同時描繪二極管內(nèi)的電流ID1與輸出電壓所獲得的坐標(biāo)圖，如圖所示Vinput比Voutput的D1順向電壓高VF 0.8V 時，D1會有電流流動，此時二極管呈ON狀態(tài)，至于ID1變成負(fù)極性則代表從二極管的流出的方向有電流在流動 。
圖17 二極管的ON時間特性
此外圖17中2ms附近的ID1大到幾乎要超越圖17坐標(biāo)圖，主要原因是電荷對電容充電造成初期電流流動。
無平整電容的場合，如圖8所示Voutput若大于時，雖然VF二極管會變成ON，不過本電路的平整電容會有殘留電荷，所以圖17的二極管ON時間非常短，而且此時二極管呈ON狀態(tài)，因此Voutput的峰值部位電壓，比Voutput的低VF 0.8V。
接著將Make裝設(shè)至圖18內(nèi)，藉此觀察各部位電流波形，圖19是各部位電流波形的坐標(biāo)圖，由圖可知二極管ON時的電流ID1呈峰值狀(超過700mA以上)，不過二極管一旦OFF時電流立即變成零，至于電容內(nèi)的電流IC1，它的峰值部位的波形幾乎與ID1相同，一般認(rèn)為主要原因是ID1的大部份流入電容內(nèi)充電所致，至于造成ID1比IC1略大主要原因，一般認(rèn)為是二極管對電容C1充電的同時也提供電流IRL給RL所致。
二極管變成OFF時ID1 = 0，IC1的極性也變成跟IRL一樣，造成該現(xiàn)象主要原因是電容儲存的能量變成放電電流RL所致。圖20是綜合上述結(jié)論繪成的二極管電流流動特性圖，由圖可知隨著二極管ON/OFF各部位的電流呈動態(tài)變化。根據(jù)圖19顯示，負(fù)載內(nèi)的大部份電流都是電容提供的放電電流，電容兩端的電壓隨著放電逐漸降低，進(jìn)而造成Voutput發(fā)生波動(Ripple)現(xiàn)象。此處假設(shè)波動的峰值對峰值(Peak To Peak)為波動電壓ΔV，如此一來ΔV可用下式作近似計算:
由式(4)得知只要加大電容的容量，就可以降低波動電壓，接著將下列數(shù)據(jù)代入式(4):
上述計算結(jié)果與圖16模擬分析非常近似。
圖18 檢測半波整流電路的方法
圖19 各部位的電流波形
圖20 二極管的電流流動呈動態(tài)性
以上介紹二極管的基本功能，同時針對泛用二極管進(jìn)行模擬分析，藉此探討二極管動作時的電流與電壓決定方法。
