做硬件這幾年運(yùn)放加二極管這五個(gè)字我琢磨得最多?？此剖莾蓚€(gè)最基礎(chǔ)的元件拼在一起但要真正理解它們?yōu)槭裁茨芙M合出精密整流理想二極管這些聽起來很高級的功能得先把0.7V管壓降這個(gè)老朋友搞清楚。這篇東西我把平時(shí)工程里最常用的5種運(yùn)放二極管實(shí)戰(zhàn)電路從頭捋一遍從最簡單的半波整流講到最后用LT4358這類電源域芯片做理想二極管適合剛接觸運(yùn)放電路設(shè)計(jì)、或者已經(jīng)在用但沒仔細(xì)想過原理的朋友?？赐昴隳苊靼酌總€(gè)電路為什么這么接、運(yùn)放選型最怕踩什么坑、以及什么時(shí)候該從運(yùn)放二極管陣營切換到專用理想二極管控制器。1. 二極管那0.7V壓降為什么說丟就丟先聊聊最底層的邏輯。普通硅二極管導(dǎo)通壓降大概0.6到0.7V肖特基二極管能低一些但也有0.3到0.4V而且這玩意兒隨溫度飄。你拿它做一個(gè)檢波電路輸入信號只有0.5V峰值過完二極管出來基本就沒了做出來的東西根本沒法用。運(yùn)放解決問題的思路特別巧妙。運(yùn)放有極高的開環(huán)增益又有負(fù)反饋把它拉回虛短狀態(tài)。你把二極管放在反饋環(huán)路里面運(yùn)放會自動(dòng)調(diào)整輸出電壓把二極管吃掉的那部分壓降給補(bǔ)償回來。本質(zhì)上是運(yùn)放用自己的高增益把二極管的非理想特性給矯正了。這就是精密整流和理想二極管這兩個(gè)概念的共同底層來源。我在實(shí)際項(xiàng)目中用過的最省事的理解方式二極管是反饋環(huán)路里的一個(gè)可控開關(guān)運(yùn)放決定什么時(shí)候讓這個(gè)開關(guān)閉合。只要反饋點(diǎn)取在二極管后面運(yùn)放就能看穿二極管看到真正的負(fù)載端電壓。這一下子就把問題從怎么克服壓降變成了怎么讓運(yùn)放在該導(dǎo)通的時(shí)候穩(wěn)定導(dǎo)通、該截止的時(shí)候快速恢復(fù)。后面所有電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)全部圍繞這個(gè)切換過程展開。2. 第1種電路同相精密半波整流反饋環(huán)里的一顆二極管先上最基礎(chǔ)的一款。電路結(jié)構(gòu)是一條線串下來輸入信號接運(yùn)放同相輸入端運(yùn)放輸出串一顆二極管D1D1的陰極就是整流輸出節(jié)點(diǎn)Vh然后從Vh拉一個(gè)反饋電阻回到反相輸入端。如果你想要單位增益反饋電阻可以直連但實(shí)際我習(xí)慣加一個(gè)小電阻這樣限流和保護(hù)都方便一些。電路結(jié)構(gòu)可以用下面這個(gè)簡圖理解Vin ── 運(yùn)放() 運(yùn)放(-)──[反饋]──┐ 運(yùn)放輸出──[D1]──Vh整流輸出工作過程分兩個(gè)半周看當(dāng)Vin為正時(shí)運(yùn)放輸出往正方向走D1導(dǎo)通反饋環(huán)路閉合。因?yàn)樘摱谭聪噍斎攵穗妷罕焕礁鶹in一樣所以Vh也等于Vin。正半周等于零損耗直接通過。當(dāng)Vin為負(fù)時(shí)運(yùn)放想要把輸出往負(fù)方向拉但D1反向截止反饋環(huán)路斷開。這時(shí)候Vh沒有通路輸出被到一個(gè)下拉電阻拉成0V。注意運(yùn)放內(nèi)部輸出級會往負(fù)軌方向飽和沖。這個(gè)電路最大的坑就出在負(fù)半周。反饋斷開的瞬間運(yùn)放進(jìn)入開環(huán)狀態(tài)輸出端會直接擺動(dòng)到負(fù)電源軌附近。等下一個(gè)正半周到來它需要先從負(fù)軌快速爬回到正常放大區(qū)間這個(gè)恢復(fù)時(shí)間受運(yùn)放壓擺率限制頻率一高就特別難看。我實(shí)測過一個(gè)GBW 1MHz、壓擺率0.5V/μs的通用運(yùn)放做這個(gè)電路輸入10kHz正弦波正半周結(jié)束后的波形有明顯的拖尾直接看就是一個(gè)圓角。后來換壓擺率20V/μs以上的運(yùn)放才好很多。這類半波精密整流的運(yùn)放選型經(jīng)驗(yàn)信號頻率在1kHz以內(nèi)GBW 1MHz級別的運(yùn)放還能勉強(qiáng)應(yīng)付。信號頻率到10kHz甚至100kHzGBW必須10MHz以上壓擺率至少要20V/μs。正負(fù)電源供電盡量對稱單電源供電會把負(fù)半周的截止特性搞得很麻煩。如果你只需要對正半周做精密采樣比如做峰值檢測的前級這個(gè)電路是最簡單的起點(diǎn)。3. 第2種電路精密全波整流用半波整流加減法器拼絕對值很多場景需要把交流信號變成直流但只取半周會丟失一半信息噪聲底還高。最常用的做法是做一個(gè)絕對值電路把負(fù)半周翻到正半周來。我工程里常用的精密全波整流器是由前面那個(gè)半波整流器加一個(gè)減法器組成的。第一級A1就是同相精密半波整流輸出Vh在正半周等于Vin在負(fù)半周等于0。第二級A2做一個(gè)減法運(yùn)算輸出公式是2倍的Vh減去Vin。這個(gè)公式可以驗(yàn)證一下當(dāng)Vin為正時(shí)Vh等于Vin輸出就是2Vin減Vin等于Vin。當(dāng)Vin為負(fù)時(shí)Vh等于0輸出就是0減Vin等于負(fù)的Vin即正的絕對值。所以輸出端得到的就是|Vin|負(fù)半周被完整翻上來了而且沒有二極管壓降的痕跡。第二級運(yùn)放外圍電阻選取有一個(gè)關(guān)鍵約束算清楚就不容易翻車接到Vh輸入端的電阻取R接到Vin輸入端的電阻取2R反饋電阻取2R。也就是Vh通道增益是2Vin通道增益是1兩者相減就是2Vh減Vin。電阻精度建議用0.1%或至少0.5%如果用了1%的普通電阻正負(fù)半周交界處會出現(xiàn)可測量的增益誤差波形上看起來就是交界點(diǎn)有一個(gè)小臺階。這個(gè)電路我調(diào)過不少次遇到的最典型問題是在低頻小信號下正常往上加到20kHz以后峰值處出現(xiàn)削頂。原因不是整流本身不對而是第一級半波整流在負(fù)半周結(jié)束時(shí)運(yùn)放還沒有從飽和狀態(tài)恢復(fù)過來。解決思路要么提升運(yùn)放壓擺率要么改用下文會提到的MOSFET理想二極管方案來替代二極管作為開關(guān)。4. 第3種電路有源峰值檢波器二極管和電容的經(jīng)典組合第三種電路在音頻設(shè)備、振動(dòng)檢測、射頻功率檢測里特別常見叫有源峰值檢波器也有人叫包絡(luò)跟隨器。它解決的問題是普通二極管加電容的峰值檢波器二極管正向壓降會把小信號吃掉比如你檢測一個(gè)0.3V的峰值普通二極管根本充不進(jìn)去電。電路核心結(jié)構(gòu)是運(yùn)放、快恢復(fù)或肖特基二極管D、檢波電容C和復(fù)位開關(guān)。運(yùn)放同樣相輸入端接輸入信號輸出端串D后接到峰值保持電容C的正端。關(guān)鍵點(diǎn)是反饋不用運(yùn)放自己的輸出端而是從電容正端取回來接反相輸入端。這個(gè)設(shè)計(jì)帶來的效果非常明顯當(dāng)輸入電壓高于電容電壓時(shí)運(yùn)放輸出推高D導(dǎo)通電容被充電到與輸入相等。當(dāng)輸入電壓低于電容電壓時(shí)運(yùn)放輸出比電容端電壓低D反偏電容電壓因?yàn)闆]有放電通路得以保持。反饋點(diǎn)取在電容端的意義在于運(yùn)放能夠準(zhǔn)確知道電容上充到了多少電壓一旦輸入超越當(dāng)前峰值它會立刻推動(dòng)二極管導(dǎo)通去充電。整個(gè)壓降被反饋環(huán)路校正不再影響檢測精度。復(fù)位開關(guān)通常用一個(gè)小信號的NMOS比如2N7002跨接在電容兩端。需要復(fù)位時(shí)給柵極一個(gè)高電平把電容電荷放掉。設(shè)計(jì)時(shí)有一個(gè)參數(shù)需要權(quán)衡就是電容和漏電的關(guān)系。電容越大保持時(shí)間越長但大電容充電時(shí)間也變長響應(yīng)慢而且大電容通常漏電不一定小。電容太小保持時(shí)電壓跌落快紋波大。我實(shí)測音頻頻段包絡(luò)檢波一般取0.1μF到1μF配合10MΩ級別的輸入偏置電流運(yùn)放能兼顧響應(yīng)速度和保持紋波。如果遇到需要檢測的是窄脈沖峰值比如幾十微秒的脈沖建議二極管用肖特基或高速開關(guān)管并且注意運(yùn)放壓擺率。很多普通運(yùn)放壓擺率不夠脈沖還沒充完運(yùn)放就輸出了峰值檢測結(jié)果偏低。我踩過這個(gè)坑最后直接換成了壓擺率50V/μs以上的高速運(yùn)放才把窄脈沖峰值保得住。5. 第4種電路信號域理想二極管用MOSFET替換二極管當(dāng)半波整流電路的二極管換成一顆MOSFET就得到了信號域理想二極管。這個(gè)電路的價(jià)值在于普通二極管導(dǎo)通壓降再小也有零點(diǎn)幾伏MOSFET的導(dǎo)通壓降可以做到微伏到毫伏級別幾乎可以忽略。電路接法是輸入信號接運(yùn)放同相輸入端運(yùn)放輸出接一顆P溝道MOSFET的柵極MOSFET的源極接輸入側(cè)漏極作為輸出也就是負(fù)載側(cè)輸出端電壓再接反饋到反相輸入端?？刂七壿嬍钱?dāng)輸入高于輸出時(shí)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極使其導(dǎo)通電流從輸入流向輸出。當(dāng)輸入低于輸出時(shí)運(yùn)放輸出翻轉(zhuǎn)MOSFET關(guān)斷阻斷反向電流。這個(gè)電路在不同項(xiàng)目里我都用過最滿意的是用在傳感器微弱信號防倒灌上。比如一個(gè)輸出阻抗很高的pH傳感器信號如果不加保護(hù)后級電路某個(gè)瞬間放電會把電荷倒灌回傳感器影響測量甚至損壞敏感電極。普通二極管0.5V的壓降對pH信號來說完全不可接受用MOSFET理想二極管后壓降小到可以忽略防倒灌效果也干凈利落。實(shí)際用的時(shí)候注意幾點(diǎn)P溝道MOSFET柵源耐壓有限如果輸入信號正負(fù)范圍超過20VGS之間要加鉗位保護(hù)。運(yùn)放輸出驅(qū)動(dòng)能力要夠MOSFET柵極電容大高頻開關(guān)時(shí)運(yùn)放要提供瞬態(tài)電流選型時(shí)盡量選輸出電流大的。整條環(huán)路在MOSFET關(guān)斷瞬間容易震蕩我習(xí)慣在運(yùn)放輸出與柵極之間串一個(gè)10到47Ω的電阻來抑制振鈴。在信號頻率不高、電流在幾十毫安以內(nèi)的應(yīng)用里這個(gè)電路基本可以當(dāng)作一個(gè)零壓降、單向?qū)ǖ某壎O管。6. 第5種電路電源域的理想二極管用LT4358這類專用控制器運(yùn)放加MOSFET的理想二極管方案電流一旦做到幾百毫安以上就會付出比較大的代價(jià)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)能力不夠、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)慢、發(fā)熱分散在分立器件上、保護(hù)邏輯也缺。這時(shí)候就該請出專用理想二極管控制器了比如LT4358。LT4358在我的理解里就是把運(yùn)放MOSFET理想二極管這套思路做成了集成度更高的電源專用版本。它內(nèi)部集成了完成理想二極管功能所需的環(huán)路放大和驅(qū)動(dòng)電路配合外部功率MOSFET用于電源路徑上的有源整流、電源冗余、電池防反接和熱插拔保護(hù)。對比維度可以用一張表說清楚對比維度運(yùn)放二極管整流/信號理想二極管LT4358電源域理想二極管處理對象毫伏級的模擬信號十幾伏到上百伏的電源軌電流范圍毫安級為主個(gè)別到幾百毫安幾安甚至幾十安導(dǎo)通壓降二極管0.7VMOSFET方案可到微伏級毫歐級導(dǎo)通電阻下的極小壓降關(guān)鍵指標(biāo)GBW、失調(diào)電壓、壓擺率導(dǎo)通電阻、反向恢復(fù)速度、浪涌限流能力典型場景精密整流、峰值檢波、信號防倒灌電源ORing、電池反接保護(hù)、熱插拔成本一顆運(yùn)放加二極管零件多但便宜單芯片專用方案集成度高成本高我在一個(gè)雙電源冗余項(xiàng)目里就用過這類理想二極管控制器。兩路電源同時(shí)給系統(tǒng)供電要求某一路掉電時(shí)不能通過電源路徑倒灌另一路。用肖特基二極管做ORing壓降大、發(fā)熱多用理想二極管控制器后導(dǎo)通壓降降到幾十毫伏而且反向截止速度比普通二極管快很多沒有瞬間倒灌的問題。這類芯片選型時(shí)看幾個(gè)參數(shù)導(dǎo)通電阻RDS(on)、反向截止時(shí)的漏電流、輸入電壓范圍、限流閾值、靜態(tài)電流。LT4358這種級別的器件重點(diǎn)考慮的反而是它在浪涌和短路場景下的保護(hù)動(dòng)作是否與系統(tǒng)匹配這些問題要在畫板前想清楚不能等到焊接完再調(diào)。不過要特別說明一點(diǎn)LT4358和運(yùn)放精密整流器不是替代關(guān)系。前者是電源領(lǐng)域的功率處理芯片用在功率路徑上后面那幾個(gè)是信號處理電路用在模擬信號鏈里。兩者都叫理想二極管但所處賽道完全不同。7. 五種電路之外的共性坑以及我的調(diào)試習(xí)慣最后把我在這些電路上反復(fù)踩過的坑集中說一下這些東西不在課本里但遇到一次你就知道疼。第一個(gè)坑是運(yùn)放輸入偏置電流和二極管漏電流打架。精密整流電路在二極管截止的那半個(gè)周期反相輸入端沒有低阻抗通路運(yùn)放輸入偏置電流會給電路里的寄生電容充電導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)斜坡狀漂移。解決方法是給反饋電阻并聯(lián)一個(gè)大電阻或者選輸入偏置電流小的運(yùn)放比如JFET輸入的TL072系列。第二個(gè)坑是運(yùn)放選型只看GBW不看壓擺率。精密整流這類電路運(yùn)放經(jīng)常工作在開環(huán)和閉環(huán)切換的極端狀態(tài)恢復(fù)速度主要看壓擺率而不是GBW。我碰到過GBW很高但壓擺率很慢的運(yùn)放高頻下整流效果一塌糊涂。其實(shí)這在選型表上一眼就能看出來別偷懶。第三個(gè)坑是反饋環(huán)路里二極管的寄生電容。二極管在截止?fàn)顟B(tài)下結(jié)電容仍然存在它會和反饋電阻構(gòu)成一個(gè)低通或相位滯后環(huán)節(jié)嚴(yán)重時(shí)會讓運(yùn)放自激。我在全波整流電路調(diào)試時(shí)遇到過這個(gè)問題表現(xiàn)為輸出端高頻振鈴后來在反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)5到10pF的小電容才穩(wěn)定。調(diào)試這類電路時(shí)我習(xí)慣用低頻正弦波先檢查波形過零交接點(diǎn)是否干凈再逐步升頻看峰值和沿口是否變形。千萬別一上來就掃頻那樣波形一團(tuán)亂麻根本定位不了是恢復(fù)問題還是增益誤差。最后再分享一個(gè)小技巧。如果你手頭沒有雙極性電源很多精密整流電路用單電源也能湊合但過零性能會變差。工程上我干脆用正負(fù)5V給運(yùn)放供電整流電路性能立刻上一個(gè)臺階。很多看起來電路沒問題但波形不對的疑難雜癥其實(shí)就是供電電壓范圍太小逼出來的你給它一個(gè)正常的雙電源看看波形自己就恢復(fù)正常了。