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本文是AAC模擬電路系列的一部分，討論了一個有趣的電路，其中運算放大器和普通二極管一起工作以創建一個超級二極管。
二極管是我們了解的第一批電子元件之一。它們的重要性可能不會立即明確 - 但是，經過一段時間后，我們逐漸明白，在許多情況下，電路需要相當於單向閥。
但是，您肯定知道，二極管不是一個單向閥。是的，電流只能從陽極流向陰極，而不是從陰極流向陽極，但我們也需要處理這種麻煩的正向壓降。在某些情況下，~0.7 V壓降（肖特基二極管較少）幾乎不可察覺。然而，在其他情況下，這是一個非常重要的煩惱，有時甚至可能使二極管無用（例如當你想要糾正一個幅度與二極管正向電壓相當的正弦波時）。
普通二極管總是具有正向電壓。換句話說，沒有理想二極管這樣的東西。然而，可以創建模仿理想二極管的行為的電路，並且結果證明該電路1）非常簡單並且2）僅需要普通二極管和另一種廣泛可用的電子元件。
該電路稱為超級二極管，它看起來像這樣：
超級二極管的功能
在我們查看模擬之前，我們將對此電路進行定性分析。我們在這里顯然有負反饋連接，但重要的是要認識到運算放大器將作為閉環放大器和開環放大器運行。
讓我們假設我們使用超二極管來糾正正弦波。我們需要某種初始條件開始，所以假設輸入為負且輸出電壓為0 V（這是有意義的，因為輸出節點通過負載電阻接地）。在初始條件下，運算放大器的輸出在負軌處飽和，因此二極管不導通。由於二極管的作用類似於開路，反饋連接斷開，運算放大器只是一個具有非常高增益的開環放大器。
一旦輸入電壓超過0 V，反相輸入（接地）和同相輸入之間就會有很小的差異。運算放大器的增益非常高，導致輸出在正軌處飽和，從而導致正向偏置二極管。二極管現在正在導通，因此建立了負反饋路徑。這意味着我們可以應用“ 虛擬短路 ”近似，即同相輸入端的電壓必須等於反相輸入端的電壓。換句話說，一旦輸入電壓變為正，V OUT = V IN。
只要輸入電壓高於0 V，這種情況就會保持有效。只要V IN低於地電壓，輸出就會嘗試擺動負極，但這將使二極管反向偏置，並將運算放大器返回到原來的開環狀態。輸出通過負載電阻再次下拉至地。結果是近乎完美的整流器：當輸入為正時，輸出等於輸入; 當輸入為負時，輸出固定為0 V.
我們需要記住的一件事是負載電阻是電路的組成部分; 我們不能直接將超級二極管的輸出（即沒有下拉電阻）連接到高阻抗輸入端口，因為當二極管反向偏置時，運算放大器的反相輸入端基本上是浮動的。此外，“反向偏置”的超級二極管將輸出電壓保持在地電位。在這方面，它與反向偏置二極管並不完全相同，后者的作用就像開路一樣。
模擬， 這是一個超級二極管的LTspice實現：
我們應用0.5 V正弦波。以下圖表確認輸出是輸入的半波整流版本。典型的硅二極管在這里什么也不做，因為輸入電壓從不高到足以使結正向偏置，但是超級二極管表現不佳。
如果我們試圖糾正典型的120/240 VAC電源線電壓會怎么樣？非常糟糕，可以肯定 - 這里是超級二極管的主要缺點之一。為了使超級二極管產生給定的輸出電壓，運算放大器本身必須產生等於該輸出電壓加上二極管壓降的電壓。換句話說，超級二極管的輸出電壓受到運算放大器正電源軌的限制，並且該電壓軌可能遠低於您想要整流的電壓。
超級二極管也施加了頻率限制。與任何運算放大器電路一樣，運算放大器的帶寬會影響高頻性能。下圖顯示了1 MHz正弦波的超級二極管（非常不起眼）整流：
我們可以從向下的斜率看到運算放大器的頻率響應開始產生一些相移，但為什么半周期的向上斜率部分看起來如此可怕？AD8606的增益帶寬積為9 MHz，那么為什么1 MHz信號會降低性能？
請記住，當輸入電壓為負時，運算放大器在負軌處飽和，並且運算放大器從這種飽和狀態恢復是有點困難的。另一個問題是我們違反了運算放大器的輸入電壓范圍（AD8606數據表顯示輸入電壓不應低於負電源軌）。我不知道SPICE仿真在多大程度上准確地傳達了這些條件的影響，但我們可以安全地假設現實生活中的電路在類似情況下也會表現出某種不良行為。
結論：
我們研究了一個簡單的運算放大器電路，它可以提供“理想化”的整流，即它就像一個二極管，一旦它上面的電壓超過0 V就變為正向偏置。但實際上，這個基本的超級二極管拓撲結構遠非理想，因為它具有很大的局限性 - 帶寬，飽和度，輸入電壓范圍 - 與運算放大器的工作特性有關。