開關二極管的使用示例

引言：開關二極管可以在幾乎所有的電子應用中找到，本節將討論在許多應用程序中可以找到的一些開關二極管使用示例。

1.基本邏輯門

開關二極管可用于極低成本的解決方案中，以實現簡單、低速的邏輯功能。如圖5-1所示，控制信號A和B通過兩個二極管連接到電阻器R1，一旦至少一個信號具有顯著高于VF的正電壓電平，電流將流過R1。如果我們將簡單電路視為邏輯函數，則會創建一個或門，如果一個輸入信號A或B或兩者都獲得正輸入電壓，則R1處存在正電壓。通過增加更多的二極管，電路可以很容易地擴展，以這種方式連接更多的控制信號。

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圖5-1：用于邏輯或功能的二極管

二極管使輸入信號彼此解耦，如果一個信號顯示邏輯高狀態，則沒有電流會流回具有邏輯低狀態的其他信號。如果該電路連接到開關級，例如BJT或FET，則可以控制許多類型的驅動器和負載，它們可以用不同于輸入信號A和B的電壓工作。圖5-2描述了這種情況，Q1切換負載電阻器Rload，如果選擇了合適的FET，則可以無限制地選擇負載電源電壓。漏極引腳處的電壓可以被視為R1處的電壓的反相信號，二極管產生的或門之后是反相器，因此建立了或門。

圖5-2：增加了FET開關，擴展了二極管的OR功能

如果與圖5-1相比，開關二極管反向連接，即在節點C處具有公共陽極，如圖5-3所示，則一旦至少一個輸入具有地電平，R1處的電壓為VF。如果所有輸入都提供邏輯高狀態，則信號C的電壓也將提供邏輯高態，所討論的電路提供了AND功能。同樣，它可以通過添加更多的二極管來擴展到更高數量的輸入。添加閾值電壓高于VF的FET提供了切換各種負載的選項，并且如果該方法用作NAND功能，則漏極信號具有干凈的低電平。

圖5-3：二極管AND功能

添加閾值電壓高于VF的FET提供了切換各種負載的選項，并且如果該方法用作NAND功能，則漏極信號具有干凈的低電平。然后圖5-4中的信號C可以用作進一步電路的適當控制信號。

圖5-4：添加FET開關的二極管AND功能

如果必須同時存在具有正電壓的多個控制信號，則通常使用AND功能?？赡苡袔讉€開關保護系統的正常狀態--->例如所有門都關閉，但是一些電源電壓可能是強制性的，以實現后續的操作。

2.電壓鉗位

開關二極管通常用于軌對軌方法中的電壓鉗位，圖5-5描述了該解決方案。如果對地電平的負電壓浪涌脈沖進入系統，則低壓側二極管導通，并將信號S1的電壓箝位至?VF。對于正浪涌事件，一旦電壓超過VCC+VF，上部二極管開始導通。通常大電容器連接到電源線，在本例中稱為VCC，并且該線的阻抗通常很低，連接了許多負載。因此電壓VCC不會因不具有高能量的ESD沖擊而增加太多。如果可以預期更高的能量脈沖和長持續時間的過電壓脈沖，則可以反向向電源添加齊納二極管或TVS二極管。在圖5-5中，TVS二極管用虛線連接，過電壓限制為VBR+VF，VBR是齊納二極管的擊穿電壓，VF是圖5-5中上部開關二極管的正向壓降。

圖5-5：開關二極管用作輸入保護

3.電荷泵開關電壓反相

電荷泵由用于儲能的電容器和作為開關元件的二極管組成，是開關二極管的另一個應用實例。在使用運算放大器的應用中，通常需要負電源電壓，以便使用接地作為放大器的參考，圖5-6顯示了一個電壓反相器，振蕩器在GND電平和電壓V1之間切換。如果振蕩器輸出正電壓V1，則C1通過D1充電到V1-VF，一旦電壓源切換到GND，則充電的電容器的正極就會接地。通過這種切換操作，現在在電容器的負極處存在對地的負電壓，二極管D1被反向偏置并且不導通，但是D2在正方向上被偏置，因此C2被充電，產生對GND的負電壓。在下一個振蕩器周期，D2阻斷C2的放電，C1通過D1重新充電。Vout是來自振蕩器的反向正電壓，損耗來自兩個二極管的正向電壓降，因此Vout=V1–2×VF。

電容必須具有足夠高的電容，以實現Vout上的最低紋波電壓，這些值取決于開關頻率和最大負載電流。

圖5-6：采用電荷泵方法的電壓反相器

電壓倍增

圖5-7描述了一個可以使電源電壓加倍的電荷泵電路，電路有一個DC電源V1和一個假定在GND電平和正電壓V1之間切換的振蕩器。如果振蕩器輸出GND電平，則C1充電至V1-VF，C2也被充電至V1?2×VF。一旦振蕩器切換到輸出電壓V1，充電的C1的負極向上移動V1，因此電荷可以從C1流入C2，從而增加輸出電壓。對于Vout，方程式為：

倍壓電路可以通過增加級進行擴展，如果忽略二極管的正向電壓損耗，輸入電壓就可以增加N倍。

圖5-7：采用電荷泵方法的倍壓電路

4.峰值電壓檢測

圖5-8顯示了一個簡單的峰值電壓檢測器，其中有一個由二極管D1整流的交流電源，C1充電到輸入信號的正峰值電壓減去VF。該電路用作峰值電壓檢測器，通過放電電阻R1，C2再次放電，并且不會永遠保持在之前施加的最高電壓。利用RC時間常數τ=R1×C1時，可以實現C1的放電。選擇一個明顯高于輸入信號中單個振蕩持續時間Tin的時間常數，構建AM解調器。輸入信號的幅度必須明顯大于開關二極管的VF，對于AM解調，載波信號不應低于或接近VF。

圖5-8：峰值電壓檢測器，AM解調器

圖5-8所示的簡單電路的缺點通過圖5-9所示的更復雜的方法得到了解決，運算放大器的正輸入端連接到交流電源。輸出端連接到二極管，并從陰極側直接耦合回負輸入端。然后C1被充電到輸入信號的正峰值電壓。負極性輸入電壓允許運算放大器限幅在最大負輸出電壓水平，二極管阻斷該電壓，因此C1上的電壓不會受到限制。

圖5-9：精密峰值電壓檢測器