侯绪同
天津航空机电有限公司 天津 300308
摘要：对整流二极管电流反向漏电流特性进行分析，并对二极管表决电路、精密全波整流电路以及模拟量采集电路中二极管隔离特性对电路的影响进行分析，并给出选型意见，在此基础上，针对不同应用场景提出设计优化方案，并完成优化后电路的仿真验证。
关键词：二极管；漏电流；电压采集；整流电路
Abstract：In this article, the reverse leakage current characteristics of rectifier diode are analyzed, and the influence of diode isolation characteristics in diode voting circuit, precision full wave rectifier circuit and analog acquisition circuit is analyzed, and the selection suggestions are given. On this basis, the design optimization scheme is proposed for different application scenarios, and the simulation verification of the optimized circuit is completed.
1 引言
随着电子技术的快速发展，二极管作为常用电子元器件，在电子产品中发挥着越来越重要的作用[1]。利用二极管的单向导电特性，实现交流电流整流、中/高频检波、钳位、电压表决、防反及软开关设计。在使用过程中，对二极管的反向击穿电压、正向导通压降、正向通流能力等电气参数降额设计考虑的较多，而对其反向漏电流关注较少[2]。由于二极管反向漏电流是随温度增加呈指数增加的特性，导致许多应用电路在常温时使用正常，随着温度升高，在高温阶段可能产生非期望的结果[3][4]。本文从实际应用角度出发，举例说明几种受反向漏电流影响较大的应用场景，并进行设计优化改进，进行仿真和试验验证。
2 二极管的反向漏电流特性
反向漏电流是二极管的特性之一。反向漏电流与温度呈指数级增长的关系，例如二极管1N4148，在25℃、施加反向电压为20V时反向漏电流最大为25nA，温度升高到150℃，反向漏电流将上升到50μA，见下图，增大了约2000倍。由于材料的原因，硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性，反向漏电流更小，工作温度更高。?[4]
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图1 1N4148反向漏电流与温度的关系
3 典型电路分析
3.1 电压表决电路
直流三电压表决电路如下图所示，图中，U1、U2、U3经过三个二极管表决后输出电压U，在U1有电压，U2和U3无电压的情况下，U2和U3理论上应为0V。
但是由于二极管反向漏电流的存在，会形成如下图所示的回路，电流i1和i2分别由D2的反向漏电流和D3的反向漏电流特性决定，在U2和U3侧无等效阻抗的情况下，U2=U3=U。
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图2 二极管表决电路
实际工程使用过程中，U2、U3一般是电源，存在一定的阻抗，此时等效电路如下图所示，U2、U3的电压分别如下所示：
U2=i1*R2 （1）
U3=i2*R3 （2）
其中i1、i2分别为流过D2、D3的漏电流.
为了使检测电路能真实检测U1、U2、U3电源电压变化，在设计模拟量检测电路时应充分考虑D1、D2、D3的反向漏电流，尤其在高温使用场景下，D1、D2、D3的反向漏电流会急剧增加；根据式（1）、（2），在最大漏电流下，选择合理的电阻阻值，从而保证采集到的电压值接近实际电源电压值，电阻的阻值越小，U2、U3受反向漏电流的影响越小；但阻值过小会增加电子产品的功耗，影响产品散热和电阻选型。
如下图所示，电阻R1-R3用于消除二极管反向漏电流的影响，可以称为下拉电阻，下拉电阻R1-R3应根据二极管的反向漏电流、期望检测到的下限电压进行优化设计，当电阻设置过大，会导致电阻下拉作用不足，影响U2、U3的电压采集；当U1有电压，而U2、U3无电压时，由于二极管漏电流的作用，导致U2、U3能检测到电压，通过调节R1-R3的阻值，使其低于预设值，从而提高采集结果的真实性。
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图3 二极管表决模拟量采集电路改进方法
3.2精密全波整流电路
在如下图所示的单电源供电精密全波整流电路中，电阻R1=R2=R3=R4，二极管D1用于交流信号整流。当Vi大于0V时，二极管D1截止，根据运放的虚短、虚断原理，Vo=Vi，当Vi小于0V时，二极管D1正向导通，M2为跟随电路，Vo=-Vi，从而将交流信号整流为馒头波信号。
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图4 精密全波整流电路
设置Vi为幅值2V，周期10hz的正弦信号，R1=R2=R3=R4=10k，D1取常温漏电流2nA，仿真结果如下图所示，由图可知，Vo为幅值2V的馒头波信号，信号几乎没有失真。
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图5 常温条件下精密全波整流电路仿真波形
同样的条件下，二极管漏电流取在高温条件下31.7uA，进行仿真分析，仿真结果如下，Vo为幅值不相等的馒头波，已经严重失真。
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图6 高温条件下精密全波整流电路仿真波形
通过分析可知，当Vi大于0V时，由于二极管反向漏电流的存在，R3与二级管形成导通回路，R3上的电压为
VR3=R3*i=10000*31.7=0.317V （3）
根据运放负反馈原理
Vo=Vi-2*VR3 （4）
二极管的漏电流的大小也与反向电压有关，在Vi较小时，二极管的漏电流降低，R3上的电压相应降低，虽然仿真软件中产生负的电压，但是在实际工程应用中，根据电路不同，实际Vo波形可能不同。
由于温度的变化导致二极管反向漏电流变化,漏电流变化影响精密全波整流电路的输出电压变化，从而引起采样精度的变化，从上述仿真波形可以看出，输出波形的变化，转变为采集电压值的变化，导致采集值降低，从而大幅度影响采样精度，使得在实际使用过程中，必须进行电流精度校准才能满足采样精度；由于二极管漏电流随温度变化的非线性，导致高温情况下，电流采集校准算法的非线性；为了拟合电流采样精度曲线，需要使用温度的二次方程，进行温度补偿，需要在高温情况下采集多点进行校准，而且，由于引入温度的二次方程，导致温度参数的细微变化就可能引起校准电流的剧烈变化，从而导致校准不精确，导致电流校准工作的反复。
根据上述分析,在工程应用中,为了降低漏电流对采集电路的影响,需要针对性的增加一些措施，例如，可以通过降低电阻R3的阻值，从而降低漏电流引起的电压漂移，或选择高温下漏电流极小的二极管，如BAS45A等，该二极管的漏电流在高温情况下比原有二极管降低了两个数量级，从而不会对采集电流的精度造成影响，可以降低漏电流对电路的影响。
3.3 模拟量采集电路
在下图所示的模拟量采集电路中，由于引入了二极管D3，用于防止反向电压对电路的影响，如果使用场合不当，将对电路产生一些不期望的影响。
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图7 模拟量采集电路
当由较大的共模干扰引入的情况下，由于二极管D3的半波整流作用，将把输入的共模干扰经D3半波整流后，转化为差模干扰，由于运放的放大作用，将使电路采集到非期望的电压值，或使采集电压精度超出范围。
改进方法为去掉上述二极管，设置合适的电阻R1，保障在反向电压时，电路仍能正常工作或不会损坏。
4总结
二极管表决电路、精密全波整流电路中,整流二极普反向滑电流对电路的正常工作及精度均可能会产生影响，尤其式高温情况下，二级管反向漏电流急剧增加，导致情况更加恶化，本文对其等效电路及可能产生的影响进行了分析，并对精密半波整流电路进行了仿真验证，提出了改进方案。
参考文献
[1]李晓明, 李凤霞分册, 李凤霞. 电工电子技术:电路与模拟电子技术基础[M]. 高等教育出版社, 2008.
[2]施敏. 现代半导体器件物理[M]. 北京：科学出版社，2001.
[3] 贾云鹏?孙月辰．高压二极管中局域铂掺杂的寿命控制新技术 ［J］．半导体学报?2006?18（2）：106－109．
[4]郭丽丽?秦明新?仇旭生．一个用于弱生理信号检出的放大电路 ［J］．第四军医大学学报?2002?67（Sup1）：113