寄生电容对半波整流电路的影响

ωωωω · 发表于 2023-7-31 02:20:54

最近坛友似乎对半波整流的兴趣颇高，然而，针对其测量误差进行讨论的时候，@dayibalang朋友与@ωωωω的观点存在一些区别，分歧大致是在"寄生电容"对测量误差的影响上。
显而易见，这里的"寄生电容"是一个多意词：既可以指代万用表的寄生电容（几十pF以内），还可以指代二极管的结电容（根据不同尺寸和偏置电压，差异很大，几千pF～几pF都可能）。
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那么开始研究一下这个问题：
先从理论上简单分析，根据常识，二极管的结电容是并联在二极管上的，然后万用表又与二极管串联。
也就是说，在高频下，二极管结电容与万用表电容构成了一个分压器。一般来说，二极管结电容大于万用表电容，所以至少在高频下，万用表会分得较多的电压，那么低频下又如何呢。
不幸的是，10M和几百pF截止频率刚好落在几十Hz的范围内，不是很便于分析，虽然理论上这种情况的寄生电容是可以构成一些误差的。
幸运的是，这个实验对测量设备的要求极低，只要几个二极管，一个万用表，一个信号源，和一个百元级别示波器就可以进行测量了。
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首先，众所周知，二极管具有随温度变化的反向漏电流，如果直接对其忽略，那么势必造成意外的误差。
于是我找了6个二极管，其中1个是超低压降肖特基。然后分别产生1V和10V电压，万用表开到具有10M阻抗的V档，与二极管串联反向接在电源上。假设此时万用表的读数很小，那么现在万用表就摇身一变，变成了超灵敏电流表，可以以10pA分辨率来测量电流。
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如图所示，我测定了1V与10V下二极管的反向漏电流。
显而易见，此肖特基具有高几个数量级的漏电流，是几百uA（我这个型号是肖特基中正向压降最低的，比其他肖特基还要低很多，但漏电流也高一两个数量级，温度高些能达到mA级别）
剩下几个普通二极管就互相差不多了，典型5nA，但尺寸最小的那个漏电流明显要低些。

然后，分析一下漏电流的影响。
示波器使用X10档，所以输入阻抗10M。然后正弦波为2V RMS，也就是说峰值不到3V，二极管漏电流可以取1V与10V的中间值，按6nA计算。
漏电流产生的电压=10MΩ*6nA=60mV 大约是峰值电压的2%，可以认为在示波器上不可闻。
然后直接放图，图上有1K电阻的，就是10M输入阻抗的情况。图上没有1K电阻的，就是把电阻并联到示波器上了，输入阻抗为1K。

这是小二极管

这是中二极管

这是大二极管

这是细二极管

这是粗二极管

这是肖特基二极管，可以看到漏电太大了！10M的时候直接变成正弦波！哪怕并联上1K电阻，基线也不在0V。

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综上所述，我认为测量半波整流，寄生电容影响很大；
而且尽量别用肖特基；
而且应该用示波器先验证一下波形是否正常，防止有意外误差。
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顺便说一下，塑料金属箔的湿度测量出来了，45%到5%湿度，电阻下降了35ppm。时间常数确实很长，有好几天。
这种电阻和大家想的不一样，完全不具有标定至6.5位数的实力，甚至标定到5.5位都不能保证完全正确。
我猜这应该就是具有ACAL功能的万用表，电阻档官方指标差的原因，因为精度包括湿度的变化（摘自3446X：全精度, 80%R.H., 40°C, 无冷凝）。
34461A电阻档1年精度：正负100ppm
34465A/34470A电阻档1年精度：正负40ppm
实际上使用环境的湿度变化不会很大，很难看到6.5位表的精度接近指标上下限。

imacg · 发表于 2023-8-6 15:37:37

谢谢分享，看到各位大佬讨论，涨知识了。

dayibalang · 发表于 2023-8-3 12:05:15

sun108512 发表于 2023-8-3 10:11
在面向大众的科普论坛上探讨这些东西，有几个人能看得懂？对以维修为主的论坛用户来说，有多大意义？ ...

也许对你来说没什么用。
不过对于别人就不一定了，论坛上对于脉动直流的讨论从原理到仪器到误差。对滤波电容的讨论容量到材质。循序渐进，不能说所有人都有兴趣深入探寻，但仍有坛友因此而加深了解。只要还有一个人愿意打开看看就有用

sun108512 · 发表于 2023-8-3 10:11:30

在面向大众的科普论坛上探讨这些东西，有几个人能看得懂？对以维修为主的论坛用户来说，有多大意义？

ωωωω · 发表于 2023-8-2 18:17:15

dayibalang 发表于 2023-8-2 17:48
实际上我对这个问题的定性还是在学校时，那时候研究过二极管开关特性，由于工作条件不同，自然不会以整流 ...

现在用的是耳机孔产生的波形，因为电池供电和THD+N有保障，带电容负载不易震荡。
但即使把两个单端输出声道接在一起，给相位差180度的正弦波，也只能获得2V RMS而已，
回头拿运放升个压试试。

我在做分立式的带隙基准，里面要用到两个二极管，目标是噪声优于LTZ1000水平。为了获得低噪声和低老化，和提高两个二极管的均热能力，往往二极管面积要做的比较大，而且二极管是串联在大阻值电阻下面的。测量“扩散电容”，对分析环路稳定性肯定有帮助。

后面要搭分立式ADC，也是用电容积分做，但架构打算尝试创新。普通情况下都用运放做“压流转换”，利用运放高开环增益获得高线性度，但是受限于精密运放的输出级电流，不可采用低阻值的积分电阻，这样热噪声就不可能降低，最低30nV/√Hz，而且由于积分器的低阻抗输入，必须要在ADC前面增加精密缓冲器，又一定程度上损失了性能。
现在我想出一种新架构，可以采用很小的积分电阻以压缩热噪声，也不需要增加缓冲器，被测信号直接输入到MOSFET对管的Gate。但是线性度可能有点存疑，1ppm应该还好说，能不能0.1ppm不知道了。因为这个架构的线性度不依靠开环增益，而是依靠MOSFET的亚阈值区的某些公式保证，然后软件反推公式进行补偿线性度。

dayibalang · 发表于 2023-8-2 17:48:46

本帖最后由 dayibalang 于 2023-8-2 17:51 编辑

ωωωω 发表于 2023-8-2 13:09
我知道了，只有二极管中有电流的时候，才有过剩少子；没有电流的时候一定没有过剩少子，也就不存在扩散电 ...

实际上我对这个问题的定性还是在学校时，那时候研究过二极管开关特性，由于工作条件不同，自然不会以整流管作为重点，只是顺便测试过一些典型的整流管。这个问题在工程上其实没有实际意义，因为不会有这种工况。但作为真正理解器件的工作过程，值得搞明白

dayibalang · 发表于 2023-8-2 17:43:10

本帖最后由 dayibalang 于 2023-8-2 18:10 编辑

ωωωω 发表于 2023-8-2 13:09
我知道了，只有二极管中有电流的时候，才有过剩少子；没有电流的时候一定没有过剩少子，也就不存在扩散电 ...

是的，不去讨论它的成因的话，我们其实都认可这个这个小下探的存在，这个其实在二极管特性里更多的由反向恢复电荷来体现。但它影响的程度是我们的主要分歧。我这些天在休假不在公司，你能否用AC 50Hz rms 10V+4007半波整流，不加万用表，用x10探头，相当于负载10MΩ+十几pF，dc耦合，测一下波形，特别是这个下探的电压?

ωωωω · 发表于 2023-8-2 13:09:41

dayibalang 发表于 2023-8-2 11:00
你再看看扩散电容定义吧

我知道了，只有二极管中有电流的时候，才有过剩少子；没有电流的时候一定没有过剩少子，也就不存在扩散电容。
所以测量扩散电容必须在能产生较大电流的正偏电压下进行测量，然后仍然要扣除掉因为二极管导通而产生的交流成分，剩下的电流就是扩散电容造成的。

测这个肯定要高频电桥，不然扩散电容的容抗大到几乎不存在的程度了。
应该就是这样吧？

ωωωω · 发表于 2023-8-2 12:36:31

dayibalang 发表于 2023-8-2 11:00
你再看看扩散电容定义吧

扩散电容（Diffusion capacitance）是p-n结在正偏时所表现出的一种微分电容效应。

哪里有问题请明示

我认为只要测试交流电压足够小，再排除掉本身的正向导通电流，剩下的就是扩散电容造成的电流。
频率不太高的话，相位差是90度，和电容一样。

dayibalang · 发表于 2023-8-2 11:00:13

ωωωω 发表于 2023-8-2 05:06
昨天新做的测试，拿电桥测正偏电容；电流表测正偏电流。
先看下面的图，这是1A额定电流的二极管，6串6并 ...

你再看看扩散电容定义吧

ωωωω · 发表于 2023-8-2 05:06:40

dayibalang 发表于 2023-8-1 10:05
通常所指的结电容指的是势垒电容或以势垒电容为主。虽然二极管的电容效应有势垒电容和扩散电容两种，但扩 ...

昨天新做的测试，拿电桥测正偏电容；电流表测正偏电流。
先看下面的图，这是1A额定电流的二极管，6串6并（这样电容和单颗相同）。电流与电压的关系，正偏。
可以看出每0.4V电流升高10倍，线性度非常不错，末端下弯是电流表内阻影响。证明电路状态正常，PCB漏电之类的不构成干扰。此时1uA对应1.55V，0.1uA对应1.15V。
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电桥是0.1V RMS测试电压，太高了，二极管会被导通，所以二极管做成6并6串，这样每颗只有0.16V RMS，类似于规格书上的标准50mV p-p测试电压。而且电桥的信噪比不会下降。
10kHz下电流是0.4uA，为了获得较为可靠的结果，二极管的"最大容许直流漏电流"暂且算作0.4uA的四分之一，即0.1uA，也就是1.15V，此时电容读数为83pF。

这里至于误差到底是不是最多25%，这个问题感觉有点复杂：
因为电桥测量阻抗，是看电压RMS与电流RMS之比。
由于电桥交流输出阻抗100欧姆，这个100欧姆兼作检流电阻，由于接入的负载很轻，所以认为是恒压输出0.1V RMS；而电流就是整个电路电流通过这个检流电阻得到的实测值。

如果说直流漏电流是0.1uA，理论上不足以影响任何事情：
电压检测这边，前面已经认为是恒压0.1V RMS了；
电流检测这边，100ohm*0.1uA=10uV，相对于0.1V RMS的激励信号不值一提。
但是实际上有一个事情，因为电容70pF左右，所以总电流也才0.4uA，此时电桥为检流电阻上的微小电压开启了16384倍放大器（屏幕上有显示），这样就容易输入饱和。
假如不提饱和的事，理论上直流漏电流（正向导通电流）没有任何影响，哪怕再大几百倍。

但问题在于，对于交流电流，有两个贡献来源，即来自于电容，又来自于二极管电流随电压的变化，就是第二张图描述的事情。（不知道叫什么，动态阻抗么？）
鉴于前面说了每0.4V，二极管电流下降10倍，所以在1.15V附近，100mV RMS对应的电流好像比0.1uA要稍大些。

再往后就是，电桥的电容是从阻抗和相位得到的，然而也不清楚刚才检流电阻上的10uV直流偏置会不会影响到相位检测，另外二极管造成的那个严重谐波的交流电流对与电容电流叠加后的综合相位有什么影响。所以算出来的电容也就不知道是个啥了……
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鉴于100Hz 1kHz 10kHz具有类似的上翘形状，我觉得大概率在1.15V的时候，二极管电容并没有那么大。（相当于单颗电容正偏0.2V的时候）
也就是说，这次实验并没有发现扩散电容的"指数上升"。
我觉得可能有这三种原因，第一种是10kHz太低了，更高的电压才具有明显的扩散电容，但是这个电桥频率低测不到。第二种是高频下扩散电容会消失，也就是什么少数载流子寿命太长之类的，但感觉不太可能。第三种是二极管选错了，快恢复二极管可能这种效应不明显。（但这个二极管我还特意选的是电压下陷比较严重的型号）
或许前面对电压下陷的原因研究还不够，有可能实际上100pF的电容就能造成那种程度的下陷？
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关于均方根叠加的事情，看我后面计算AC/DC那张图的波形，是10M阻抗的万用表测的，表的电容85pF应该不算小。
很明显，都下陷多半个负半周了，这还能说均方根之后能忽略吗。1M阻抗能忽略倒是真的，因为这个表能调1M，10M和无穷大阻抗，我试过了。

谈谈原问题吧，从我是不会修1M的下陷程度来看，我断定他用了大功率二极管。这样再用10M的61E测，波形肯定负半周露出来一半。

dayibalang · 发表于 2023-8-1 10:05:30

本帖最后由 dayibalang 于 2023-8-1 10:23 编辑

ωωωω 发表于 2023-8-1 03:12
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对于二极管来说，寄生电容的影响比较大，所以要稍微了解一下。在二级管中，存在两种电容效应，分别是 ...

通常所指的结电容指的是势垒电容或以势垒电容为主。虽然二极管的电容效应有势垒电容和扩散电容两种，但扩散电容其实是一种等效效应，在二极管导通的时候等效扩散电容可以理解为接近无穷大，而非你说的仅nF级，这就是为什么你所说的没有手册写正偏结电容，因为没有意义，是不能用等效的扩散电容值作为计算分析依据的。实际上造成你观察到的这个现象是电子和空穴数量变化，而非结电容。
这个变化影响多大，可以说没有你想象的大，因为交流是要均方根，一旦乘方，这些小幅度的信号占比会急剧降低。另外不要用什么大电流二极管，这相当于人为做出个效果明显的特例。绝大多数这类讨论都是基于最常见的整流管400x

sweetrong · 发表于 2023-8-1 09:51:37

谢谢分享，涨知识

ωωωω · 发表于 2023-8-1 03:12:26

dayibalang 发表于 2023-7-31 23:20
我觉得你的模型参数设定有问题，对于常见的工频整流用的最多的是1N400x，结电容多大？10-20pF，哪来的1nF ...

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对于二极管来说，寄生电容的影响比较大，所以要稍微了解一下。在二级管中，存在两种电容效应，分别是：势垒电容（transition capacitance）和扩散电容（diffusion capacitance）。

（1）势垒电容

在二极管PN结的耗尽区，一边是正电荷，一边是负电荷，而耗尽区内没有载流子，可视为一种绝缘体，如此就构成了一个基本的电容结构，这个电容就称为势垒电容CT。这个电容的值不是很大，一般为几个皮法级，且会随着反偏电压的增大略微减小。

（2）扩散电容

当二极管正偏电压较小时，耗尽区两边的载流子会由于电源的压迫而注入耗尽区。在二级管还没导通时，从外部看上去就像是PN结的两边被注入了载流子，但其间却没有电流通过，这个过程就好像是给一个虚拟的电容充电一样，这个等效电容就称为扩散电容CD。扩散电容只有在正偏时才有，反偏时没有。

同前面的PN结原理一样，我们也不一定要去深究这两种电容的产生机理，只要知道其外部表现就可以了，其电容随外部偏置电压变化的曲线见下图所示：

"

半波整流电路的电压下陷，不发生在正弦波过零点的时候，仔细看是在0.6V一个二极管压降的位置。

从图上看，哪怕只有0.25V正偏，电容都会暴涨。然而我刚才看了几个电容规格书，顶多标注到0V，此时大功率的能到一两百pF，中功率的几十pF。没有厂家写正偏的电容。

这样，至少对于我这种只有2V RMS的低压来说，很容易覆盖到电容暴涨的区域。从比例上看，电压下陷肯定远远高于14V或者说220V。

dayibalang · 发表于 2023-7-31 23:20:33

本帖最后由 dayibalang 于 2023-7-31 23:33 编辑

ωωωω 发表于 2023-7-31 21:29
其实是我一开始没仔细考虑，随口一说是表的寄生电容。
后来随着进一步的探究，才明白过来，有害的反而是 ...

我觉得你的模型参数设定有问题，对于常见的工频整流用的最多的是1N400x，结电容多大？10-20pF，哪来的1nF?这可能是你高估寄生电容的原因，现实中没有兼具高输入阻抗低负载电容的探头，普通探头输入电容大，有源差分探头输入阻抗低，都没有办法在不引入明显外部影响的情况下验证你的猜想。
如果要验证你的猜想，我建议你在同等条件下只用万用表+二极管做这个实验，二极管分别用1n4007和1n4148，前者的结电容大约是后者5倍左右，看看能否得到明显区别。

feetprint · 发表于 2023-7-31 22:07:22

谢谢分享，涨知识

ωωωω · 发表于 2023-7-31 21:29:10

dayibalang 发表于 2023-7-31 18:21
对于第二张下陷的我认为不能认为等效于10MΩ阻抗+寄生电容，这张是1MΩ输入+串联耦合电容，并不知道这个 ...

其实是我一开始没仔细考虑，随口一说是表的寄生电容。
后来随着进一步的探究，才明白过来，有害的反而是二极管结电容，万用表电容甚至一定程度上对防止“下陷”有益。
这篇帖子整个都是围绕着二极管结电容展开讨论的，相当于已经默认了二极管结电容>万用表电容。此时，也是默认了二极管失去了整流作用，取而代之的是二极管结电容与万用表电容构成的电容分压器。

用一种全新的视角观察，简化一下电路：
这种情况下，由于结电容是1nF级的，而耦合电容是1uF级的，意味着在负半周（二极管截止的时候）耦合电容上几乎不存在变化的电压。（无论串联的电阻是高是低）
也就是说在正弦波在负半周的整个时间，可以直接把耦合电容当作恒定电压源，阻抗为0，这段时间内示波器可以被当作直流耦合的。既不需要考虑示波器的AC下限截止频率，又不需要考虑示波器的耦合电容具体大小。

所以能否测量到下陷，完全取决于电容分压器的负载电阻。
假如此电容分压器的总电容为1nF，示波器X1档电阻1M，时间常数虽然1ms很短，但是也要考虑到：
平台（负半周截止）区间并不能按10ms长度理解，而应该按5ms。因为只要正弦波电压还在向负方向运动，电容分压器就在被源源不断的注入能量。只有正弦波达到最低谷之后，才正式进入1nF与1M的指数衰减中。由于上述原因，1ms时间常数就显得不那么短了，电压的下陷应该是可闻的。
按上述分析，如果换成10M，势必产生更大下陷。整个分析都与耦合电容具体大小无关。

dayibalang · 发表于 2023-7-31 18:21:32

本帖最后由 dayibalang 于 2023-7-31 18:28 编辑

ωωωω 发表于 2023-7-31 15:16
先确认一下共识，我是不会修用了两种设备进行测量：
61E 交流档7.9V 直流档5.7V
示波器交流耦合有效 ...

对于第二张下陷的我认为不能认为等效于10MΩ阻抗+寄生电容，这张是1MΩ输入+串联耦合电容，并不知道这个电容大小的情况下，不能认为这个电容可以等效为万用表的寄生电容。
虽然这个电容容量未知但这个电容不可能只是100pF左右的。一个远大于寄生电容的附加电容已经不是我们讨论的初始条件了。

ωωωω · 发表于 2023-7-31 15:16:37

dayibalang 发表于 2023-7-31 14:31
你是否注意到我是不会修原文是有波形图的?你觉得这个图上看寄生电容影响会是主要原因吗？
构造出一个明显 ...

你觉得这个图上看寄生电容影响会是主要原因吗？

先确认一下共识，我是不会修用了两种设备进行测量：
61E 交流档7.9V 直流档5.7V
示波器交流耦合有效值7.59V 直流耦合平均值5.96V

61E (10M阻抗) ： AC/DC = 7.9/5.7 = 1.39
示波器 (1M阻抗) ： AC/DC = 7.59/5.96 = 1.27
由于差距比较大，暂且忽略仪表线性问题。
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这个AC/DC理论值应该是1.21左右。
要不是刚才提醒我看波形，我还真没发现............一个之前没注意到的细节。
请看：

虽然被挡住了大部分，但是仍然可以分辨出，哪怕是在1M阻抗的示波器AC耦合下，红圈圈出的位置都不是平的，而是和我测的波形一样，发生了下陷。也就是说，AC测量值将会高于理论值。
我用黄线描了一下：

这样就可以解释为什么示波器的AC/DC=1.27，然而，为什么直流档没有受到影响，我就不清楚了。
1M阻抗都这么明显，对于10M的61E+，这个下陷还会再大几倍，测出AC/DC=1.39不足为奇。
因为根据我刚才那张图，如果寄生电容发挥了作用，在AC和DC同时受到影响的情况下，AC/DC会变高而不是变低。