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钳位二极管和稳压二极管的工作原理

时间:2023-07-07 11:28来源:未知 作者:admin 点击:
在 模拟 量采集 电路设计 中,如果 AD 芯片 允许的电压输入范围是0-10V,但采集 信号 的范围是0-218V DC (远远大于10V)时,如何保证进入AD芯片的电压在0-10V范围内呢? 措施之一是:在

模拟量采集电路设计中,如果AD芯片允许的电压输入范围是0-10V,但采集信号的范围是0-218VDC(远远大于10V)时,如何保证进入AD芯片的电压在0-10V范围内呢?

措施之一是:在AD芯片的正负输入引脚之间加一个10V的稳压二极管,将最大输入电压钳制在10V,如下图所示:

钳位二极管和稳压二极管的工作原理

稳压二极管进行输入电压的稳压示意图

在此涉及到钳位电路/钳制电压的概念:钳位是指限制电路中某点的电动势在某个值/范围内,而用作钳位的二极管则称为钳位二极管。

从以上示例中可知,因为稳压二极管能够稳定某点电压,所以稳压二极管本质上是一种特殊的钳位二极管。

注:全文均以直流电路进行分析。

二极管的基本工作原理

各类二极管的工作原理是基于伏安特性曲线的,如下图:

钳位二极管和稳压二极管的工作原理

二极管伏安特性曲线

正向特性:二极管的两端电压U+>U-时,正向偏置,压降稳定在0.7V左右,电流可无限大,理论分析时可看做短路。

反向特性:二极管的两端电压U->U+时,反向偏置,电流约为零,理论分析时可看做断路。

击穿特性:反向特性中,当反向电压继续增大至临界电压时(40V左右),二极管会被击穿而形成通路,该电压称为击穿电压Ubr。

不同材质、不同用途的二极管工作于不同的特性区。

普通钳位二极管的钳位原理

普通钳位二极管是利用二极管的正向特性(导通)和反向特性(断路)来进行电位的钳制,实际中常用到的有单向钳位电路和双向钳位电路。

1.单向钳位电路

单向钳位电路可以将电路中某点的电动势钳制在固定值。

下图即为针对Usc点的钳位电路设计,图中Usc处的电压究竟是多少呢?以伏安特性曲线知识为基础,我们有两种分析方法:

假设法

假设Usc=6.7V,则D1、D2均正向偏置,但若D2正向偏置,则Usc会被D2强制下拉到2.7V,与Usc的初始假设矛盾。

假设Usc=2.7V,则D2正向偏置,D1反向偏置,即断路,这样分析,电路不矛盾。

所以,Usc=2.7V。

常识判断法

根据“水往低处流”的基本常识,12V→6V与12V→2V,电流会更倾向于往2V的地方流动,所以粗略分析,Usc处的电压为2.7V的概率会更大。

图中Usc处电压被钳制在2.7V,这便是单向钳位电路的作用。

钳位二极管和稳压二极管的工作原理

2. 双向钳位电路

双向钳位电路可以将电路中某点的电动势钳制在某个范围值。

下图中,在引脚Pin处上下各添加了1个钳位二极管,那么Pin引脚处的电压被钳制在多少呢?

钳位二极管和稳压二极管的工作原理

双向钳位电路

依然根据伏安特性曲线分析:

当输入Internal电压大于VDD时,D1导通,D2截止,Pin的电压为VDD+0.7V(约为VDD);

当输入Internal电压小于GND时,D1截止,D2导通,Pin的电压为GND-0.7V约为GND);

故Pin脚的输入电压始终在VDD~GND范围之间,这便是双向钳位电路的作用。

稳压二极管的稳压原理

稳压二极管是利用二极管的击穿特性来稳定电压,常用的稳压二极管为齐纳二极管。

该二极管在正向偏置时,与普通二极管相同,压降约为0.7V;反向偏置在未达到击穿电压时也与普通二极管相同,为断路;但是当反向电压达到击穿电压时,通过齐纳二极管的反向电流会急剧增加,形成通路,但二极管两端的击穿电压会保持不变,从而达到稳压效果。

具体可见开篇电路图:

钳位二极管和稳压二极管的工作原理

齐纳二极管稳压

该齐纳二极管的稳定电压(击穿)为10V,当模拟量输入信号在0-10V内时,该D1分支断路,进入AD芯片的电压为采集到的电压值;当模拟量输入信号大于10V时,D1反向击穿形成通路,进入AD芯片正负引脚之间的电压稳定在10V,从而保护AD芯片不受损坏。

结论

二极管

稳压二极管是一种特殊的钳位二极管;

普通钳位二极管利用的是二极管的正向特性和反向特性来钳制电压;稳压二极管利用的是二极管的击穿特性来稳压;

普通钳位二极管分为单向钳位和双向钳位;单向钳位是利用一个二极管将某电位点钳制在固定值;双向钳位是利用两个二极管将某电位点钳制在一个既定的电压范围。

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