你會巧妙利用二極管中的“存儲電荷”嗎？

二極管的儲存電荷一直被視為「敵人」，但有時候如果我們想利用它，也是可以「化敵為友」...

各類型二極管都會有一種稱為「儲存電荷」(storage charge)的特性，其效應是當二極管在正向傳導模式(forward conduction mode)乘載電流時，會讓電流發(fā)生并非立即出現(xiàn)的停止流動情況，其中各種關斷狀態(tài)值得探究。

儲存電荷帶來的基本效應，是二極管接面上出現(xiàn)反向電壓時并不會立即關斷，電流會在一段有限的時間內繼續(xù)從相反方向流經接面。為了讓說明更清楚，讓我們以一個半波整流電路(half-wave rectifier circuit)做為實例：在第一種情況下，我們有一個如你所想象零儲存電荷的理想二極管，完全沒有反向電流，從下圖可見到它的理想波形。

理想的二極管半波整流

到目前為止看來都很好…那么如果二極管里出現(xiàn)儲存電荷會發(fā)生什么事?

緩慢恢復的二極管半波整流

在上圖的例子中，當輸入正弦波跨越零伏特時，二極管關斷并未立即發(fā)生，而是有一段短暫但明顯的反向傳導時間;此外，輸出波形到零的過程(steps-to-zero)非?？焖?，因此在激發(fā)頻率的諧波是產生EMI的「沃土」，這可能非常難以控制與抑制。

而如果我們暫時不談全波整流器，還是可以看到那些反向二極管電流脈沖，那些脈沖也可能導致在激發(fā)源周遭發(fā)生脈沖性短路，如下圖。

瞬間短路

線路頻率、短路電流脈沖真的會產生某種程度的嚴重EMI與漣波(ripple)問題;舉例來說，粗估一個速度相當緩慢的二極管1N4007，其標稱恢復時間為30μSec，如下圖。

緩慢的二極管恢復時間

如果激發(fā)頻率是60GHz，半周期是1/120秒或是8.3333 mSec，反向電流傳導角度會是180°乘以30μSec，再除以8.3333 mSec，結果為0.648°。如果施加120V RMS的激發(fā)能階，以及0.648°的激發(fā)電壓：120×sqrt (2)×sin (0.648°) = 1.92V，這樣的結果足以驅動我們不想要的短路脈沖電流，如同上面「瞬間短路」那張圖中顯示的紅色箭頭。

在這類應用中你會被告知需要使用快速恢復二極管，盡管其線路頻率很低;因為那些脈沖事件會在每一個AC輸入周期發(fā)生兩次，是相當嚴重的問題。透過采用快速恢復二極管，情況會像是下圖所顯示，那些不受歡迎的脈沖效應會弱得多。

快速恢復二極管半波整流

到目前為止，儲存電荷一直被視為「敵人」，但有時候如果我們想利用它，也是可以「化敵為友」;如果我們將激發(fā)頻率從60Hz或400Hz的電源線數(shù)字提高到HF/VHF/UHF等調頻，并采用名為躍階恢復二極管(step recovery diode)的組件，我們就能得到如下圖的整流情況：

躍階恢復二極管半波整流

在這里可以看到，二極管的儲存電荷在一個故意拉長的激勵波形周期部份中維持反向電流，達到理想的270°;就像是我們之前觀察到的緩慢恢復二極管會產生不需要的激發(fā)頻率諧波，躍階恢復二極管會產生我們需要的激發(fā)頻率諧波，讓我們能制作如下圖的倍頻電路(frequency multiplier)。

躍階恢復二極管倍頻電路

想象100MHz的輸入會取得300MHz的輸出，非常漂亮!

而接下來我們看另外一種組件，高頻二極管(PIN二極管);這種組件在激發(fā)頻率夠高時，儲存電荷永遠不會故意耗盡;我們可以利用PIN二極管動態(tài)阻抗會隨著電流乘載水平之函數(shù)而變化的特性，該特性把PIN二極管當作可變RF/微波訊號衰減組件(RF/microwave signal attenuator element)來運用，如下圖。

PIN二極管訊號衰減組件