眾所周知，二極管是一種由PN結(jié)制成的半導(dǎo)體。當(dāng)正電壓連接到陽極和負(fù)陰極時(shí)，二極管被稱為正向偏置。只要施加的電壓大于結(jié)電壓，通常為0.7V，電流就會流過二極管。
但是如果電壓施加在相反的方向呢?在負(fù)偏壓下，只要兩端電壓不超過擊穿電壓，二極管就會處于非導(dǎo)通狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，二極管就像一個(gè)開路，因?yàn)榉聪蚱玫腜N結(jié)阻止電子流過。
鉗位二極管就是在電路中應(yīng)用這兩種特性來操縱輸入電壓的地方，所以鉗位二極管可以用作電平轉(zhuǎn)換器，也可以用來保護(hù)組件免受瞬態(tài)電壓的影響。
鉗位二極管的概念
鉗位表示限制電路中的電壓，而鉗位二極管是用于限制電路中某一點(diǎn)的電位的二極管。
通常情況下，連接到鉗位二極管一端的電位必須為恒壓，即假定該端電位不變，作為參考電位端。另一端為鉗位端，其電位發(fā)生變化，是需要限制的一端。二極管的鉗位作用將鉗位端的電位強(qiáng)制到參考端，稱為鉗位。
鉗位與穩(wěn)壓的區(qū)別是：鉗位是限制某一點(diǎn)的電位，使其不大于或不小于參考端的值，該點(diǎn)的電位是可變的，它是利用二極管的正導(dǎo)通特性進(jìn)行鉗位。穩(wěn)壓就是將某一點(diǎn)的電位穩(wěn)定在一個(gè)恒定值，電位是不變的，就是利用二極管的反向擊穿特性來穩(wěn)定電壓。
鉗位二極管的工作原理
在電路中，鉗位是指將電壓控制在固定電壓范圍內(nèi)，二極管的特點(diǎn)是單向?qū)?。?dāng)它正向開啟時(shí)，它有一個(gè)固定的電壓降。
齊納二極管的特點(diǎn)是反向擊穿，正向?qū)ǖ亩O管和反向擊穿的齊納二極管都可以用于鉗位電路的設(shè)計(jì)，用于鉗位電路的二極管稱為鉗位二極管，不同的鉗位應(yīng)用使用不同的二極管。
齊納二極管用作鉗位二極管
在過壓保護(hù)電路中，可以設(shè)計(jì)一個(gè)帶有齊納二極管的鉗位電路。
在下圖所示的12V過壓保護(hù)電路中，使用了一個(gè)12V穩(wěn)壓二極管進(jìn)行鉗位。當(dāng)輸入電壓小于等于12V時(shí)，PNP晶體管Q2截止，PMOS(Q3)管導(dǎo)通，VCC獲得正常供電。當(dāng)輸入電壓升至12.5V或以上時(shí)，由于12V穩(wěn)壓二極管的鉗位，PNP晶體管的基極將電壓控制在12V，Q2將開始導(dǎo)通，導(dǎo)致PMOS(Q3)關(guān)斷， VCC電源停止。
肖特基二極管用作鉗位二極管
增加鉗位二極管可以保護(hù)單片機(jī)的輸入和輸出端口，如下圖所示，增加了兩個(gè)肖特基二極管作為鉗位二極管，可以有效防止GPIO被靜電擊穿。當(dāng)電壓大于VDD時(shí)，D1導(dǎo)通，靜電通過D1釋放到VDD;當(dāng)電壓小于GND時(shí)，D2導(dǎo)通，靜電通過D2釋放到GND。由于需要快速釋放靜電，一般選擇肖特基二極管或快速開關(guān)二極管作為鉗位二極管。
鉗位二極管保護(hù)原理分析
鉗位二極管其實(shí)就是TVS管，是瞬態(tài)抑制二極管的簡稱。它是在穩(wěn)壓二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，穩(wěn)壓二極管是一種新型的二極管形式的高性能保護(hù)器件，即限壓過壓保護(hù)器件。
TVS通常采用二極管型軸向引線封裝結(jié)構(gòu)，也有SMD，TVS的核心單元是芯片，芯片有單極型和雙極型兩種結(jié)構(gòu)，單極TVS有一個(gè)PN結(jié)，雙極TVS有兩個(gè)PN結(jié)。單極型僅針對一個(gè)方向的浪涌電壓沖擊提供保護(hù)。
瞬態(tài)二極管可防止相反極性的浪涌電壓沖擊，相當(dāng)于兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓器，其突出特點(diǎn)是擊穿電壓低、響應(yīng)時(shí)間幾十ps、漏電流小、瞬態(tài)功率大、無噪聲等，因此在信號系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。
下面我們來看看下面兩個(gè)二極管是如何反向串聯(lián)工作的。如圖d1和d2所示，兩個(gè)二極管反向串聯(lián)，屬于鉗位保護(hù)電路，還有就是利用這個(gè)鉗位取零信號，在鉗位電路中，二極管負(fù)極接地，正端電路被鉗位在零電位以下;工作時(shí)只能有一個(gè)二極管導(dǎo)通，另一個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)，那么它的正向和反向壓降會被鉗位到二極管導(dǎo)通壓降0.5-0.7(加上導(dǎo)通壓降就是這個(gè))下，從而起到保護(hù)電路的目的。
下圖為TVS管的電壓-電流特性。在浪涌電壓的作用下，當(dāng)TVS管兩極間電壓從額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR時(shí)，TVS管兩極間電壓被擊穿，擊穿電流發(fā)生，所以流過TVS管的電流會達(dá)到峰值脈沖電流IPP，兩端電壓也被鉗位在預(yù)定的最大鉗位電壓VC以下。隨后，隨著脈沖電流呈指數(shù)衰減，TVS管兩極電壓不斷下降，最終回到初始狀態(tài)，這就是TVS管抑制浪涌電流脈沖功率，保護(hù)電子器件的原理。
二極管鉗位電路
二極管鉗位電路是根據(jù)二極管在正向?qū)〞r(shí)壓降比較穩(wěn)定、值較小的特性，設(shè)計(jì)用來限制電路中某一點(diǎn)的電位，使周期性變化波形的頂部或底部保持在一個(gè)一定的直流電平。按照不同的設(shè)計(jì)，二極管鉗位電路可以分為多個(gè)類型。
1、正二極管鉗位電路
在這個(gè)二極管限制電路中，在正弦輸入波形的正半周期間，二極管正向偏置。要使二極管正向偏置，它的輸入電壓幅度必須大于+0.7伏(鍺二極管為0.3伏)。
發(fā)生這種情況時(shí)，二極管開始導(dǎo)通并將電壓本身保持在 0.7V不變，直到正弦波形低于該值。因此，二極管上獲得的輸出電壓在正半周期間不超過0.7伏。
在負(fù)半周期期間，二極管反向偏置以防止電流流過自身，因此對正常電壓的負(fù)半部分沒有影響，正常電壓的負(fù)半部分不變地傳遞給負(fù)載。因此，二極管限制輸入波形的正半部分，稱為正二極管鉗位電路。
2、負(fù)二極管鉗位電路
這個(gè)是相反的，二極管在正弦波形的負(fù)半周期正向偏置并將其限制在-0.7伏，同時(shí)允許正半周期在反向偏置時(shí)保持不變。由于二極管限制輸入電壓的負(fù)半周，故稱為負(fù)二極管鉗位電路。
3、兩個(gè)半周期鉗位電路
如果將下圖的兩個(gè)二極管反向并聯(lián)，那么正負(fù)半周期將被截?cái)唷６O管D1截?cái)嗾逸斎氩ㄐ蔚恼胫?，二極管D2截?cái)嘭?fù)半周。然后可以使用二極管鉗位電路來限制正半周期、負(fù)半周期或兩者。
對于理想二極管，上面的輸出波形將為零。然而，由于二極管上的正向偏置電壓降，實(shí)際的削波點(diǎn)分別出現(xiàn)在+0.7伏和-0.7伏。但是我們可以通過串聯(lián)更多二極管，直到正弦波形的最大值 (V PEAK) 產(chǎn)生 0.7 伏的倍數(shù)，或者通過向二極管添加電壓偏置，將這個(gè)±0.7V的閾值增加到我們想要的任何值。
4、偏置二極管鉗位電路
針對不同電平的電壓波形產(chǎn)生二極管鉗位電路，將偏置電壓VBIAS和二極管串聯(lián)起來，形成一個(gè)組合限幅器。在二極管完全正向偏置之前，串聯(lián)組合兩端的電壓必須大于0.7V的VBIAS +。例如，如果VBIAS電平設(shè)置為4.0 伏，則二極管陽極的正弦電壓必須大于4.0 + 0.7 = 4.7伏，因?yàn)樗鼤a(chǎn)生偏置。任何高于該偏置點(diǎn)的陽極電壓電平都會被截?cái)唷?/p>
類似地，通過反轉(zhuǎn)二極管和電池偏置電壓，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出波形的負(fù)半周期保持在-V BIAS -0.7V，如下圖所示：
5、負(fù)偏置二極管鉗位電路
可變二極管限幅或二極管可以通過改變二極管的偏置電壓來實(shí)現(xiàn)限制電平。如果要鉗位正負(fù)半周期，請使用兩個(gè)偏置限制二極管。然而，對于正負(fù)二極管鉗位，偏置電壓不必相同。正偏壓可以是一個(gè)電平，例如4伏，負(fù)偏壓可以是另一個(gè)電平，例如6伏，如下圖所示：
6、用于不同偏置電平的二極管鉗位
當(dāng)正半周電壓達(dá)到+4.7 V時(shí)，二極管D1導(dǎo)通并將波形限制在+4.7V。二極管D2直到電壓達(dá)到-6.7V才導(dǎo)通。因此，所有高于+4.7 V的正電壓和低于-6.7 V的負(fù)電壓會自動降低。
偏置二極管鉗位電路的優(yōu)點(diǎn)是它可以防止輸出信號在輸入波形的兩個(gè)半周期內(nèi)超過預(yù)設(shè)電壓限制，輸入波形可能是正負(fù)電源軌，輸入來自嘈雜的傳感器或電源。如果二極管限制電平設(shè)置得太低或輸入波形太大，消除兩個(gè)波形峰值可能會結(jié)束方波d。
7、齊納二極管鉗位電路
使用偏置電壓意味著可以精確控制截?cái)嚯妷翰ㄐ蔚牧?。但使用電壓偏置二極管鉗位電路的主要缺點(diǎn)之一是它們需要額外的EMF電池源，當(dāng)然這可能也不是問題的問題。
創(chuàng)建偏置二極管鉗位電路而不需要額外電動勢的一種簡單方法是使用齊納二極管。
眾所周知，齊納二極管是另一種在其反向偏置擊穿區(qū)域工作的特殊二極管，因此可用于電壓調(diào)節(jié)或齊納二極管限制應(yīng)用。在正向區(qū)域，齊納二極管就像一個(gè)普通的硅二極管，正向壓降為0.7V (700mV)，同上。
然而，在反向偏置區(qū)域，電壓被阻斷，直到達(dá)到齊納二極管擊穿電壓。此時(shí)，通過齊納二極管的反向電流急劇增加，但器件兩端的齊納電壓VZ保持不變，即使齊納電流IZ發(fā)生變化。
這樣就可以通過使用它們來切割波形，使這個(gè)齊納動作很好地工作，如下圖所示：
齊納二極管的作用類似于偏置二極管鉗位電路，其偏置電壓等于齊納擊穿電壓。在該電路中，在波形的正半周期內(nèi)，齊納二極管反向偏置，因此波形被鉗位在齊納電壓V ZD1 上。在負(fù)半周期內(nèi)，齊納管就像一個(gè)正常的二極管，具有通常的0.7V結(jié)值。
另外，還可以通過使用齊納二極管反向電壓特性來進(jìn)一步拓展這個(gè)想法，以便將波形的兩半用于有限串聯(lián)背靠背齊納二極管，如下圖所示(全波齊納二極管鉗位)：
全波齊納二極管鉗位電路的輸出波形與之前的電壓偏置二極管鉗位電路類似。穩(wěn)壓二極管制造有多種電壓，可用于在每個(gè)半周期內(nèi)給出不同的電壓基準(zhǔn)，同上。齊納二極管的齊納擊穿電壓范圍為2.4至33 伏，典型容差為1%或5%。注意一旦在反向擊穿區(qū)開啟，全電流將流過穩(wěn)壓二極管，因此必須選擇合適的限流電阻R1。
使用鉗位二極管的瞬態(tài)保護(hù)
鉗位二極管不僅僅是為了改變電壓基線，它們在緩解瞬態(tài)事件方面非常有用，尤其是ESD和浪涌電流。例如，當(dāng)輸入電壓高于Vh時(shí)，D1正向偏置。因此，過多的電流流過D1而不是負(fù)載。限流電阻器通常放置在二極管之前，以確保后者在限制范圍內(nèi)工作。
當(dāng)輸入電壓降至VL以下時(shí)也是如此，這將激活D2。通過將過多的電流從負(fù)載中引開并保持電壓低于Vh，二極管有助于防止瞬態(tài)電壓損壞組件。
通常情況下，選擇具有較大電流處理能力、低結(jié)電壓和快速導(dǎo)通時(shí)間的二極管用于ESD或浪涌保護(hù)。限流電阻器還必須能夠在大量電流通過時(shí)禁用大量熱量。
當(dāng)然，無論是設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換器還是瞬態(tài)保護(hù)，它都有助于使用強(qiáng)大的PCB設(shè)計(jì)和分析軟件套件來模擬相應(yīng)的參數(shù)，例如可以使用OrCAD PCB Designer來布局電路設(shè)計(jì)需求。