第二章：二极管电路设计——从整流到信号处理

目录

第二章：二极管电路设计——从整流到信号处理

2.1 二极管的电路模型

2.1.1 理想二极管模型

2.1.2 恒压降模型

2.1.3 小信号模型

2.2 整流电路：AC转DC的核心

2.2.1 半波整流

2.2.2 全波整流（桥式）

2.3 稳压与限幅电路

2.3.1 稳压二极管（齐纳二极管）

2.3.2 限幅电路（钳位器）

2.4 特殊二极管及应用

2.5 故障排查与设计技巧

常见问题

设计准则

2.6 实验：搭建桥式整流电路

本章总结

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2.1 二极管的电路模型

在实际电路分析中，二极管可以用不同的模型简化计算：

2.1.1 理想二极管模型

• 正向导通时：电压降=0V，相当于短路。
• 反向截止时：电流=0A，相当于开路。
• 适用场景：快速估算，精度较低。

2.1.2 恒压降模型

• 正向导通时：硅管固定压降0.7V（锗管0.3V）。
• 反向截止时：电流=0A。
• 适用场景：大多数直流电路分析。

2.1.3 小信号模型

• 在交流小信号下，二极管等效为动态电阻：rd=26mV/ID(ID为静态工作点电流)rd​=ID​26mV​(ID​为静态工作点电流)
• 适用场景：高频信号处理（如检波电路）。

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2.2 整流电路：AC转DC的核心

将交流电转换为直流电是二极管最经典的应用。

2.2.1 半波整流

• 电路结构：单二极管串联负载。
• 输出波形：仅保留输入正弦波的正半周。
• 缺点：效率低（理论最大值40.6%），纹波大。

2.2.2 全波整流（桥式）

• 电路结构：4个二极管组成电桥。
• 输出波形：输入正弦波的正负半周均被转换为正向脉冲。
• 优点：效率高（理论最大值81.2%），常用在电源适配器中。

📌 设计要点：

• 二极管需满足峰值反向电压（PIV） > 输入电压峰值。
• 大电流场景需考虑二极管的散热（如加装散热片）。

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2.3 稳压与限幅电路

2.3.1 稳压二极管（齐纳二极管）

• 工作原理：利用反向击穿区稳压（击穿后可恢复）。
• 典型电路：串联电阻限制电流，负载并联稳压管。Rseries=（Vin−VZ）/（IZ+Iload）
• 应用：为敏感电路（如运放）提供稳定电压。

2.3.2 限幅电路（钳位器）

• 功能：限制信号幅度，防止后续电路过载。
• 案例：
  • 双向限幅：两个反向串联的稳压管，将信号钳位在±VZ。
  • 单向限幅：二极管+电阻，削去高于/低于某阈值的信号。

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2.4 特殊二极管及应用

二极管类型	特性	典型应用
肖特基二极管	低压降（0.2~0.4V），高速开关	高频整流、开关电源
发光二极管（LED）	正向导通时发光（压降1.8~3.3V）	指示灯、显示屏
变容二极管	反向偏置时电容随电压变化	调谐电路、VCO
光电二极管	光照产生电流	光传感器、光纤通信

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2.5 故障排查与设计技巧

常见问题

1. 整流输出异常：
   • 二极管接反 → 无输出。
   • 二极管击穿 → 输出波形失真。
2. 稳压失效：
   • 输入电压不足 → 无法击穿稳压管。
   • 电流过大 → 稳压管过热烧毁。

设计准则

• 散热计算：功率二极管需满足 PD=VF×IF<Pmax。
• PCB布局：高频应用时缩短二极管引脚，减少寄生电感。

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2.6 实验：搭建桥式整流电路

材料：4×1N4007二极管、10kΩ负载电阻、12V变压器、示波器。
步骤：

1. 按桥式电路连接二极管，负载并联电容（观察纹波变化）。
2. 用示波器测量输入（AC）和输出（DC）波形。
3. 计算效率：η=PDC/PAC

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本章总结

1. 二极管的三种模型对应不同分析场景。
2. 整流电路是电源设计的核心，桥式整流最常用。
3. 稳压管和限幅电路用于保护敏感器件。

➡️ 下一章预告：晶体管放大电路——如何用BJT/FET构建放大器！

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