5、半导体电子学中的二极管：原理、应用与特性分析

半导体电子学中的二极管：原理、应用与特性分析

1. 峰值整流电路

1.1 基本原理

峰值整流电路是一种重要的电路类型。在理想二极管的情况下，当输入正弦波电压 $v_{in}$ 达到正峰值时，电容两端的电压 $v_{C}$ 会达到与输入正弦波峰值近似相等的值。当输入电压开始下降时，二极管变为反向偏置，由于没有放电路径，电容两端的电压保持恒定。

1.2 作为交直流转换器的应用

若在电容两端添加一个电阻，如图所示的电路就可作为交直流转换器。假定二极管为理想状态，且时间常数 $\tau = RC$ 远大于放电间隔，电阻 - 电容组合两端的电压波形会呈现特定形态。通过选择时间常数 $\tau$ 远大于周期 $T$（即 $RC \gg T$），可以使峰 - 峰纹波电压 $V_{pp ripple}$ 足够小。平均输出电压 $V_{out ave}$ 在二极管导通时的计算公式为：
$V_{out ave} = V_p - \frac{1}{2}V_{pp ripple}$

1.3 纹波电压的计算

在简单的 RC 电路中，电容电压 $v_{C}$ 以指数形式放电，表达式为：
$v_{C} = v_{out} = V_p e^{-\frac{t}{RC}}$
当 $RC \gg T$ 时，可对其进行简化。因为对于小的 $x$，$e^{-x} \approx 1 - x$，所以峰 - 峰纹波电压 $V_{pp ripple}$ 可表示为：
$V_{pp ripple} = V_p (1 - e^{-\frac{T}{RC}}) \approx V_p \frac{T}{RC}$