實驗三 二極體的應用電路
實驗目的
應用二極體製作二極體開關、截波電路與箝位電路並了解其動作原理。
實驗儀器
信號產生器、示波器、數位電錶 麵包板、接線及香蕉插座零件盒各一
二極體1N4148 數枚；
電阻、電容 數枚；
預習問題
1. 說明小訊號電阻的意義。由eq.3.1 證明eq.3.2。並計算在室溫（300K）時ID=0.1mA，1mA 及10mA 的rd。
2. 若圖3.2 電路中，VD+=-VD-，則A 和C 的電位為何？假設Vin 和Vout 都沒有DC 的部分，
則這樣的偏壓安排有何好處？（hint:考慮電容的充放電）
3. 請分析表 3.1 圖(p)電路之動作原理。
4. 加分題：模擬表 3.1 圖 p 的電路圖及表 3.2 圖 k,l 的電路圖。元件設定使用實驗條件。
實驗步驟
<一>二極體開關
二極體可以用作高頻小訊號的開關，常用在微波電路。這裡主要是利用二極體在不導通時，
小訊號的電阻很大，而導通後，小訊號電阻變得很小。所謂二極體的小訊號電阻是指，在固 定的二極體直流電流與電壓靜態偏壓點(quiescent point,簡稱 Q-point)附近，極小的電壓變化Δ V，可以產生微小的電流變化ΔI，如圖 3.1 所示，比值ΔV/ΔI（或 dV/dI）就稱做小訊號電 阻 rd。
圖3.1 假設二極體的I-V 特性可以用理想二極體方程式表示：
⁄ 1 …eq. 3.1
其中 IS為逆向飽和電流，VT=kBT/q(在 300K 時約為 25.8mV)，kB是波茲曼常數，T 是絕對溫 度，q 是基本電荷常數。當二極體處於逆向偏壓狀態，ID=−IS，rd ~ ∞。當二極體在順向偏 壓，可證明
/ …eq. 3.2
考慮圖3.2 用 4 個二極體構成的二極體開關(此種電路稱為 balanced diode switch)，注意他們 和全波整流器的差別。輸入與輸出都是使用電容耦合，故僅適用於AC 訊號。輸入和輸出 導通與否是由VD+和VD-來控制。當VD+和VD-均為零時，D1～4 均不導通，Vin和Vout之間 不通。當適當的調整VD+和VD-，例如VD+=5V，VD-=-5V，使得 D1～4 均導通，對 AC 的 小訊號而言，順向偏壓的二極體相當於一個電阻 rd，只要電流 ID夠大，rd足夠小，Vin和 Vout就可導通。由導通後的等效電路可以看出，當 rd<<R，輸入和輸出端之間的 AC 阻抗大 小為(rd+rd)//(rd+rd)= rd（在高頻時，足夠大的C 可視為短路），若 rd遠小於負載電阻，rd 便可視為短路。二極體導通後的小訊號等效電路如圖3.3 所示。
圖3.2 圖 3.3
1. 利用 4 個 1N4148 接成如圖 3.2 的電路，R 用 1kΩ電阻，C 用 47μF 電解電容並聯一 100pF 陶瓷電容，Vout接一1kΩ電阻負載到接地。VD+和VD-用直流電源供應器提供，先設VD+=0V，
VD-=0V，Vin 輸入一振幅 50mV，頻率 10kHz 的弦波訊號，用示波器觀察輸出訊號，是 不是遠較輸入訊號小。
2. 調整電源供應器（在 tracking 檔）使 VD+=−VD-，由0V 到 5V 每隔 0.5V，記錄輸出訊號 之振幅，以及R 兩端之電位差 VR（用電表）。畫出Vout振幅對VD+圖。每個二極體通過 的電流可由VR/2R 求得，由此可求得 rd。畫出Vout振幅對 rd圖。是不是VD±在0 與±5V 間切換，即可控制Vin和Vout間導通與否？
<二>截波電路 表3.1
(a) (h) (i)
(b) (j) (k)
Vi
t
Vo
Vo
t
Vi
(c) (l)
(d) (m)
(e) (n)
(f) (o)
(g) (p)
截波電路(clipping circuit)是利用二極體單向導通的特性，透過電路的設計可以將輸入 波形的某一部份移除，只保留所需要的波形。例如表3.1 圖(h)(i)之電路即是之前所練習過 之半波整流電路，只允許正半週或負半週波形通過。此時若再加上一直流偏壓電源，由其 連接位置、大小及極性即可決定輸入波形被移除部份。
分析截波電路時，可以將二極體視為理想二極體。以圖(l)為例，當輸入訊號 Vi 小於直 流偏壓V 時，二極體 D 導通故輸出波形恆為 V 值，惟有當 Vi 大於 V 時，二極體 D 不導 通故輸出波形等於Vo。其他電路分析方式相同，在此不再說明。注意圖中所列截波波形之 對應電路並非唯一，以圖(h)(i)電路為例電壓源可以跟二極體串聯或者是跟電阻串聯，都可 以產生不同的截波電路。
1. 如表 3.1 圖(h)~(p)之電路，二極體使用 1N4148，R=5.1k，V=V1=V2=2.5V，Vi 為 5V,1kHz,DC OFFSET=0V 之正弦波。
2. 使用示波器同時觀察 Vi 及 Vo 之波形及振幅(使用 DC 模式)，是否如預期般的截波輸出？
Vo
V t
Vi
Vi
V t
Vo Vo
t V
Vi Vi
t V
Vo
Vi
V1 Vo t V2
<三>箝位電路 表3.2
(a) (g)
1.當 Vi 為負半週時，電容透過 D 通電至Vi 峰值 Vm。
2.Vi=Vm 時，Vo=2Vm Vi=-Vm 時，Vo=0V 3.Vo 被定位在 0V 以上。
(b) (h)
1.當 Vi 為正半週時，電容透過 D 通電至Vi 峰值-Vm。
2.Vi=Vm 時，Vo=0V Vi=-Vm 時，Vo=-2Vm 3.Vo 被定位在 0V 以下。
(c) (i)
1.當 Vi 為負半週時，電容透過 D 通電至Vm+V。
2.Vi=Vm 時，Vo=2Vm+V。
Vi=-Vm 時，Vo=V 3.Vo 被定位在 V 以上。
(d) (j)
1.當 Vi 為正半週時，電容透過 D 通電至-Vm-V。
2.Vi=Vm 時，Vo=-V。
Vi=-Vm 時，Vo=-2Vm-V 3.Vo 被定位在-V 以下。
(e) (k)
1.當 Vi 為負半週時，電容透過 D 通電至Vm-V。
2.Vi=Vm 時，Vo=2Vm-V。
Vi=-Vm 時，Vo=-V 3.Vo 被定位在-V 以上。
(f) (l)
1.當 Vi 為正半週時，電容透過 D 通電至-Vm+V。
2.Vi=Vm 時，Vo=V。
Vi=-Vm 時，Vo=-2Vm+V。
3.Vo 被定位在 V 以下。
Vo
Vm t Vi
Vi
Vm t Vo
Vo Vm+V t
Vi
Vi t
Vo -Vm-V
Vo Vm-V t
Vi
Vi t
Vo -Vm+V
+
+
+
+
+
+
箝位電路(clamping circuit)一樣是利用二極體單向導通的特性，透過與電容及直流偏壓 的連接可以將輸入波形在波形與振幅不變的情況下，整體提昇或下降至某個位準。電路中 受限於電容充放電的特性，其輸入週期T<<τ時間常數。
1. 如表 3.2 圖(g)~(l)，二極體使用 1N4148，R=51k，V=1.5V，C=0.1μF，Vi 為 5V,1kHz,DC OFFSET=0V 之正弦波。
2. 使用示波器同時觀察 Vi 及 Vo 之波形及振幅(使用 DC 模式)，輸出波形是否如預期？
※請注意二極體的非理想特性對輸出波形所造成的影響。
數據分析與思考問題
1. 整理每一步驟的數據結果，並和理論值比較。回答步驟中的問題。
2. 請找出截波電路及箝位電路的用途。
3. 箝位電路的工作頻率範圍是否適用於任何頻率？
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