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。
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
順向電流愈大，rd愈小。在 ID=1mA 時，rd為25.8Ω。
考慮圖 和全波整 導通與否 不通。當 小訊號而 Vout就可 小為(rd
便可視為
1. 利用 陶瓷 VD-= 不是 2. 調整 之振 的電 間切
<二>截波 表3.1
Vi Vo
Vo Vi
3.2 用 4 個 整流器的差 否是由VD+
當適當的調 而言，順向 可導通。由
d+rd)//(rd+rd
為短路。二
用4 個 1N414 瓷電容，Vout接
0V，Vin 輸 是遠較輸入訊 整電源供應器 振幅，以及R 電流可由VR/ 切換，即可控
波電路
i
個二極體構成 差別。輸入與
+和VD-來控 調整VD+和 向偏壓的二極 由導通後的等
d)= rd（在高 二極體導通後
48 接成如圖 接一1kΩ電 輸入一振幅 訊號小。
器（在track R 兩端之電
/2R 求得，
控制Vin和V
(a)
(b) t
t
成的二極體 與輸出都是 控制。當VD
VD-，例如 極體相當於 等效電路可 高頻時，足夠
後的小訊號
圖3.2 的電路 電阻負載到接 幅50mV，頻
king 檔）使 電位差VR（用
由此可求得 Vout間導通
)
)
體開關(此種電 是使用電容
D+和VD-均為 如VD+=5V，
於一個電阻 可以看出，當
夠大的C 可 號等效電路
圖3.2 路，R 用 1k
接地。VD+和 頻率10kHz 的 使VD+=−VD-
用電表）。
得 rd。畫出 通與否？
電路稱為b 容耦合，故僅
為零時，D VD-=-5V，
阻 rd，只要電 當 rd<<R，輸 可視為短路 路如圖3.3 所
Ω電阻，C 用 和VD-用直流
的弦波訊號
-，由0V 到
畫出Vout振 出Vout振幅對
(h)
(j)
balanced dio 僅適用於A
1～4 均不導 使得D1～
電流 ID夠大 輸入和輸出 路），若 rd遠
所示。
用47μF 電 流電源供應 號，用示波 到5V 每隔 0
振幅對VD+
對 rd圖。是
ode switch) AC 訊號。輸
導通，Vin和
～4 均導通，
大，rd足夠小 出端之間的A 遠小於負載
圖 電解電容並聯 應器提供，先 波器觀察輸出
0.5V，記錄
+圖。每個二 是不是VD±在
(i)
(k)
，注意他們 輸入和輸出 和Vout之間
，對AC 的 小，Vin和
AC 阻抗大 載電阻，rd
圖3.3 聯一100pF 先設VD+=0V 出訊號，是 錄輸出訊號 二極體通過 在0 與±5V
們 間
大
F V，
是
過
截波 波形的某 之半波整 連接位置 分析 流偏壓 通故輸出 對應電路 以產生不 1. 如表
5V,1k 2. 使用
Vo V Vi
Vi
Vo Vo V Vi
Vi
Vo Vi V
波電路(clip 某一部份移 整流電路，
置、大小及 析截波電路 V 時，二極 出波形等於 路並非唯一 不同的截波 表3.1 圖(h)~
kHz,DC OF 用示波器同時
o
V
i
V
V1 Vo V2
(c)
(d)
(e)
(f)
(g) pping circui 移除，只保留
，只允許正半 及極性即可決 路時，可以將
極體D 導通 於Vo。其他 一，以圖(h) 波電路。
~(p)之電路 FFSET=0V 時觀察Vi 及
t
t
t
t
o t )
)
)
)
it)是利用二 留所需要的 半週或負半 決定輸入波 將二極體視 通故輸出波形 他電路分析方 )(i)電路為例
，二極體使 之正弦波 及Vo 之波形
二極體單向導 的波形。例 半週波形通 波形被移除 視為理想二極
形恆為V 值 方式相同，
例電壓源可
使用1N4148
。
形及振幅(使 (l)
(m)
(n)
(o)
(p) 導通的特性 例如表3.1 圖 通過。此時若 除部份。
極體。以圖 值，惟有當 在此不再說 可以跟二極體
8，R=5.1k
使用DC 模式
性，透過電路 圖(h)(i)之電路
若再加上一 圖(l)為例，當 當Vi 大於 V
說明。注意 體串聯或者
，V=V1=V 式)，是否如
路的設計可 路即是之前 一直流偏壓電 當輸入訊號 V 時，二極體 意圖中所列截 者是跟電阻串
2=2.5V，V
如預期般的截
可以將輸入 前所練習過 電源，由其 號Vi 小於直 體D 不導 截波波形之 串聯，都可
Vi 為
截波輸出？
其 直 之 可
<三>箝位 表3.2
Vo V Vi
V Vo
Vo Vi
Vi Vo
Vo Vi
Vi Vo
位電路
Vm
Vi
Vm
-Vm-V
-Vm+V
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f) t
t
Vm+V t
t V
Vm-V t
t V
)
)
)
(i
(j
(k
(l (g)
1.當 通 2.Vi V 3.Vi
(h) 1.當
通電 2.Vi V 3.Vi
i)
1.當 通 2.Vi V 3.Vi
j)
1.當 通電 2.Vi=
Vi 3.Vi 被
k)
1.當 通電 2.Vi=
Vi 3.Vi 被
)
1.當 通電 2.Vi=
Vi 3.Vi 被
當Vi 為負半 通電至Vi 峰 i=Vm 時，V Vi=-Vm 時，
i 被定位在
當Vi 為正半 電至Vi 峰值 i=Vm 時，V Vi=-Vm 時，
i 被定位在
當Vi 為負半 通電至Vm+
i=Vm 時，V Vi=-Vm 時，
i 被定位在 Vi 為正半 電至-Vm-V
=Vm 時，V
=-Vm 時，
被定位在-V Vi 為負半 電至Vm-V
=Vm 時，V
=-Vm 時，
被定位在-V Vi 為正半 電至-Vm+V
=Vm 時，V
=-Vm 時，
被定位在V
半週時，電 峰值Vm。
Vo=2Vm
，Vo=0V 0V 以上。
半週時，電 值-Vm。
Vo=0V
，Vo=-2Vm 0V 以下。
半週時，電 +V。
Vo=2Vm+V
，Vo=V V 以上。
半 週 時 ， 電 V。
Vo=-V。
Vo=-2Vm- V 以下。
半 週 時 ， 電 V。
Vo=2Vm-V Vo=-V V 以上。
半 週 時 ， 電 V。
Vo=V。
Vo=-2Vm+
V 以下。
電容透過 D
電容透過 D
m
電容透過 D V。
電 容 透 過 D
-V
電 容 透 過 D
。
電 容 透 過 D
+V。
D
D
D
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？
3. 將頻率緩慢降調至 60Hz，觀察輸出波形之變化。
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. 由步驟<四>箝位電路步驟 3 說明為何箝位電路無法用在較低頻的輸入訊號？
