汽車電子設(shè)計專欄---有源器件篇
實用的齊納二極管可能使用齊納效應(yīng)或雪崩效應(yīng)，在某些二極管中，這兩種效應(yīng)也可能同時發(fā)生，但通常的做法是將所有這些二極管都稱為齊納二極管。齊納效應(yīng)和雪崩效應(yīng)也在某種程度上取決于二極管的結(jié)溫。然而，雖然純齊納二極管中的電流具有負溫度系數(shù)，即電流隨溫度升高而降低，但在使用雪崩效應(yīng)的二極管中會出現(xiàn)相反的效應(yīng)。因此，可以制造同時使用這兩種效應(yīng)的齊納二極管，因此這些溫度效應(yīng)往往會相互抵消，從而生產(chǎn)出由于溫度而具有非常小的電流變化的二極管。
齊納二極管廣泛用于電源電路，用于穩(wěn)壓和過壓保護，通過適當(dāng)選擇硅中的尺寸和雜質(zhì)，可以控制發(fā)生反向擊穿的電壓。二極管V/I曲線的斜率在該區(qū)域變得非常平坦，該零件可以用作穩(wěn)壓器或鉗位電路，為此而特性化的零件稱為齊納二極管。擊穿電壓可以控制在2.4V至數(shù)百伏之間，最大為270V。在正向方向上，齊納二極管的功能就像普通的硅二極管一樣，具有更高的VF和很好的VF/IF特性。
就像其它零件一樣，齊納管也不是完美的。其斜率電阻不為零，其擊穿拐點不是很陡峭，在其低于擊穿電壓有漏電流，擊穿電壓具有公差和溫度系數(shù)。圖4.8演示了這些特性。
斜率電阻
齊納二極管提供一個已知的電壓，該電壓始終在給定的反向電流IZ下定義。在此電流下，它將在指定的公差范圍內(nèi)，但在其它電流下，它將有所不同，該差異是齊納斜率電阻（Rz）的函數(shù)。實際的工作電壓范圍可以通過將(IZ)Rz加到參考的電壓范圍，其中I是工作電流，IZ是引用齊納電壓的電流。
圖4.8齊納反向擊穿電壓-電流特性
在一定的IZ范圍內(nèi)(可以從公布的曲線確定)，Rz可以認為是線性的。隨著電流的減小，特性接近曲線的“拐點”，Rz急劇增加。特意在“拐點電壓”上操作齊納二極管幾乎沒有意義，實際的拐點電壓取決于類型和電流，但很少小于幾百微安。因此，齊納二極管在微功率或高阻抗電路中用處不大。對于低電流的并聯(lián)穩(wěn)壓器應(yīng)用，基于寬帶隙基準零件的電路(請參見第5.4.2節(jié))是可取的。
在典型的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路(圖4.9)中，電壓調(diào)節(jié)與Rz直接相關(guān)。顯然，Rz越低越好。斜率電阻在6.8V左右降至最低，并在更大或更小的電壓下明顯增加。較低電壓的齊納二極管的斜率電阻比中間范圍的電阻高得多(圖4.9)。低于5V和高于100V時，單個穩(wěn)壓二極管就顯示很差的穩(wěn)壓結(jié)果。因此，如果需要高壓齊納二極管，則可以通過串聯(lián)兩個或多個低壓器件來獲得所需的電壓，從而獲得更好的性能。
圖4.9：并聯(lián)穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)
圖：基本電壓基準齊納二極管電路
提供參考電壓的簡單齊納二極管電路
最基本的齊納二極管電路由一個齊納二極管和一個電阻組成。齊納二極管提供參考電壓，但必須有一個串聯(lián)電阻來限制流入二極管的電流，否則大量電流會流過它并可能被破壞。
應(yīng)計算齊納二極管電路中的電阻值，以給出所用電源電壓所需的電流值。通常，大多數(shù)低功率引線齊納二極管的最大功耗為 400 mW。理想情況下，電路的耗散量應(yīng)小于該值的一半，但要正確運行，流入齊納二極管的電流不應(yīng)低于約 5 mA，否則它們不能正確調(diào)節(jié)。
圖：基本電壓基準齊納二極管電路
以齊納二極管電路用于從 12V的輸入電壓供應(yīng)消耗2mA的穩(wěn)壓 5.1V軌的情況為例。以下簡單步驟可用于計算所需的電阻：
計算串聯(lián)電阻兩端的電壓差
12 - 5.1 = 6.9V
確定電阻電流。選擇這個為 15 mA。對于負載電流的某些變化，這將允許在最小齊納二極管電流之上有足夠的余量。
檢查齊納二極管的功耗。在 15 mA 的電流和功耗上的電壓為：
15 mA x 5.1 V = 76.5 mW
這正好在二極管的最大限制范圍內(nèi)
確定通過串聯(lián)電阻的電流。這是齊納二極管的 15 mA 加上負載的 2 mA，即 17 mA。
確定串聯(lián)電阻的值。使用歐姆定律，這可以從其兩端的電壓降和通過它的總電流計算得出：
6.9 / 17 mA = 0.405 kΩ
最接近的值為 390 Ω
確定串聯(lián)電阻的功率。這可以使用通過電阻器的電流值和之前計算的電阻器兩端的電壓來確定：
V x I = 6.9V x 17mA = 117mW
電阻器需要能夠散發(fā)這種水平的熱量。四分之一瓦的電阻器應(yīng)該足夠了。
這種簡單的齊納二極管電路被廣泛用作提供電壓基準的簡單方法。
漏電流
在拐點下方，當(dāng)反向電壓不足以擊穿時，仍有一些電流流通。這是由于以與傳統(tǒng)二極管相同的方式且具有相同的溫度依賴性而引起的泄漏電流。通常規(guī)定齊納二極管在低于擊穿電壓的某個電壓下的泄漏量要少20％至30％。當(dāng)將齊納管用作鉗位器時，這是一個重要的限制，即零件的正常工作電壓小于擊穿電壓。典型的應(yīng)用是保護電路輸入免受瞬態(tài)或連續(xù)過電壓的影響，對電路輸入端瞬變或過壓的保護。。
溫度系數(shù)
像所有零件一樣，齊納二極管的擊穿電壓也具有溫度系數(shù)。但是齊納溫度系數(shù)比平常要微小得多。實際上，硅有兩種反向擊穿機制。在低電壓和非常薄的結(jié)勢壘時，電子隧道是主要機制，而在較高電壓和較厚勢壘時，雪崩擊穿是主要機理。根據(jù)所需的電壓，一種機制或另一種機制將占主導(dǎo)地位，并且交越點約為5V。實際意義是兩種機制的溫度系數(shù)相反。它們也是斜率電阻急劇變化的原因。最小溫度系數(shù)的最佳齊納電壓在4.7V至5.6V之間，并且在可以選擇調(diào)節(jié)電壓的情況下，如果溫度系數(shù)很重要，則最好選擇這些區(qū)間值。
圖4.10中顯示的曲線圖說明了BZX79系列齊納二極管的溫度系數(shù)和斜率電阻變化。由于這些特性取決于齊納效應(yīng)的基本物理原理，因此其它制造商的產(chǎn)品將表現(xiàn)出相似的性能。
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圖4.10：BZX79系列的齊納斜率電阻和溫度系數(shù)-齊納電壓（可換ONSEMI）
精密齊納管
該過程的另一個有趣的現(xiàn)象是，擊穿電壓約為5.6~5.9V的零件的溫度系數(shù)約為2mV/℃，這平衡了常規(guī)正向偏置硅結(jié)的溫度系數(shù)。通過將兩者串聯(lián)，可以創(chuàng)建一個溫度系數(shù)幾乎為零的齊納二極管，其有效擊穿電壓在6.2V至6.4V之間(正向電壓加反向電壓)。這些零件可以作為“精密參考二極管”(1N821系列是最常見的示例)，其溫度系數(shù)和公差經(jīng)過嚴格調(diào)整，可用作電壓基準。它們很昂貴，性能與價格成正比。通過將兩個7.5V齊納管串聯(lián)，可以在8.4V左右獲得類似的效果，該齊納管的正溫度系數(shù)為4mV/℃。這些零件在性能和價格方面直接與帶隙基準源的集成電路競爭。通常，由于其較低的斜率電阻，較低的工作電流和更可調(diào)節(jié)的電壓，所以能帶隙基準源勝出。
齊納噪聲
從電氣上來講，齊納擊穿的另一個特征是它是一個電子噪聲。實際上，以恒定電流工作，交流耦合和放大的齊納二極管是寬帶白噪聲的良好來源，可用于校準和測量目的。齊納二極管通常沒有噪聲輸出的特征，因此很難在其上進行生產(chǎn)設(shè)計，但是可以通過單個偏置來使用。噪聲在穩(wěn)壓器應(yīng)用中通常不是問題，因為它比直流齊納電壓低許多個數(shù)量級，并且可以通過添加并聯(lián)去耦電容器來消除。如果由于無意或由于需要快速響應(yīng)而省略了電容器，則齊納噪聲對于精密基準而言可能就顯得很明顯和不能忽視。
汽車電子設(shè)計專欄介紹
汽車電子工程知識體系簡介
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審核編輯：湯梓紅