如何设计单二极管电路？

单二极管电路的原理电路如图5-2-1所示，输入信号u1和控制信号u2（参考信号）相加作用在非线性器件二极管上。由于二极管伏安特性为非线性的频率变换作用，在流过二极管的电流中会产生各种组合分量，用传输函数为H(jω)的滤波器取出所需的频率分量，就可完成某一频谱的线性搬移功能。下面分析单二极管电路的频谱线性搬移功能。

图5-2-1　单二极管电路

设二极管电路工作在大信号状态。所谓大信号，是指输入的信号电压振幅大于0.5V。u1为输入信号或要处理的信号；u2是参考信号，为一余弦波，u2＝U2cos ω2t，其振幅u2远比u1的振幅大，即u2≫u1，且有u2>0.5V。忽略输出电压u0对回路的反作用，这样，加在二极管两端的电压uD为

由于二极管工作在大信号状态，主要工作于截止区和导通区，因此可将二极管的伏安特性用折线近似，如图5-2-2所示。由此可见，当二极管两端的电压uD大于二极管的导通电压Up时，二极管导通，流过二极管的电流iD与加在二极管两端的电压uD成正比；当二极管两端电压uD小于导通电压up时，二极管截止，iD＝0。这样，二极管可等效为一个受控开关，控制电压就是uD。

图5-2-2　二极管伏安特性的折线近似

由于U2≫U1，而uD＝u1+u2，可进一步认为二极管的通断主要由u2控制，可得

一般情况下，Up较小，有U2≫Up，可令Up＝0（也可在电路中加一固定偏置电压Uo，用以抵消Up，在这种情况下uD＝Uo＋u1＋u2），式（5-2-3）可进一步简化为

由于u2＝U2cos ω2t，则u2≥0对应于2nπ－π/2≤ω2t≤2nπ＋π/2，n＝0,1,2,…，故有

上式可以合并写成

式中，g(t)为时变电导，受u2的控制。K(ω2t)为开关函数，它在u2的正半周时等于1，在负半周时为零，即

如图5-2-3所示，这是一个单向开关函数。由此可见，在前面的假设条件下，二极管电路可等效为一个线性时变电路，其时变电导g(t)为

图5-2-3　u2与K(ω2t)的波形图

K(ω2t)为周期性函数，其周期与控制信号u2的周期相同，可用傅立叶级数展开，其展开式为

若u1＝U1cos ω1t，为单一频率信号，代入式（5-2-8）有

由上式可以看出，流过二极管的电流iD中的频率分量有：

（1）输入信号u1和控制信号u2的频率分量ω1和ω2。

（2）控制信号u2的频率ω2的偶次谐波分量。(www.xing528.com)

（3）由输入信号u1的频率ω1与控制信号u2的奇次谐波分量的组合频率分量（2n＋1）ω2±ω1，n＝0,1,2…。

上述分析是在一定的条件下，将二极管等效为一个受控开关，从而可将二极管电路等效为线性时变电路。应指出的是：如果假定条件不满足，如U2较小，不足使二极管工作在大信号状态的条件，则二极管特性的折线近似就不正确了，因而后面的线性时变电路的等效也存在较大的问题；若U2≫U1不满足，等效的开关控制信号不仅仅是U2，还应考虑U1的影响，这时等效的开关函数的通角不是固定的π/2，而是随u1变化的；分析中还忽略了输出电压u0对回路的反作用，这是由于在U2≫U1的条件下，输出电压u0的幅度相对于u2而言，有U2≫U0，若考虑u0的反作用，对二极管两端电压uD的影响不大，频率分量不会变化，u0的影响可能使输出信号幅度降低。还需进一步指出：即便前述条件不满足，该电路仍然可以完成频谱的线性搬移功能。不同的是，这些条件若不满足，电路不能等效为线性时变电路，因而不能用线性时变电路的分析法来分析，但仍然是一非线性电路，可以应用级数展开的非线性电路分析方法。