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文檔簡介
Word鉗位二極管和穩(wěn)壓二極管的工作原理在(模擬)量采集(電路設計)中,如果(AD)(芯片)允許的電壓輸入范圍是0-10V,但采集(信號)的范圍是0-218V(DC)(遠遠大于10V)時,如何保證進入AD芯片的電壓在0-10V范圍內(nèi)呢?
措施之一是:在AD芯片的正負輸入引腳之間加一個10V的穩(wěn)壓(二極管),將最大輸入電壓鉗制在10V,如下圖所示:
穩(wěn)壓二極管進行輸入電壓的穩(wěn)壓示意圖
在此涉及到鉗位電路/鉗制電壓的概念:鉗位是指限制電路中某點的電動勢在某個值/范圍內(nèi),而用作鉗位的二極管則稱為鉗位二極管。
從以上示例中可知,因為穩(wěn)壓二極管能夠穩(wěn)定某點電壓,所以穩(wěn)壓二極管本質(zhì)上是一種特殊的鉗位二極管。
注:全文均以直流電路進行分析。
二極管的基本(工作原理)
各類二極管的工作原理是基于伏安特性曲線的,如下圖:
二極管伏安特性曲線
正向特性:二極管的兩端電壓U+>U-時,正向偏置,壓降穩(wěn)定在0.7V左右,(電流)可無限大,理論分析時可看做短路。
反向特性:二極管的兩端電壓U->U+時,反向偏置,電流約為零,理論分析時可看做斷路。
擊穿特性:反向特性中,當反向電壓繼續(xù)增大至臨界電壓時(40V左右),二極管會被擊穿而形成通路,該電壓稱為擊穿電壓Ubr。
不同材質(zhì)、不同用途的二極管工作于不同的特性區(qū)。
普通鉗位二極管的鉗位原理
普通鉗位二極管是利用二極管的正向特性(導通)和反向特性(斷路)來進行電位的鉗制,實際中常用到的有單向鉗位電路和雙向鉗位電路。
1.單向鉗位電路
單向鉗位電路可以將電路中某點的電動勢鉗制在固定值。
下圖即為針對Usc點的鉗位電路設計,圖中Usc處的電壓究竟是多少呢?以伏安特性曲線知識為基礎,我們有兩種分析方法:
假設法
假設Usc=6.7V,則D1、D2均正向偏置,但若D2正向偏置,則Usc會被D2強制下拉到2.7V,與Usc的初始假設矛盾。
假設Usc=2.7V,則D2正向偏置,D1反向偏置,即斷路,這樣分析,電路不矛盾。
所以,Usc=2.7V。
常識判斷法
根據(jù)“水往低處流”的基本常識,12V→6V與12V→2V,電流會更傾向于往2V的地方流動,所以粗略分析,Usc處的電壓為2.7V的概率會更大。
圖中Usc處電壓被鉗制在2.7V,這便是單向鉗位電路的作用。
2.雙向鉗位電路
雙向鉗位電路可以將電路中某點的電動勢鉗制在某個范圍值。
下圖中,在引腳(Pi)n處上下各添加了1個鉗位二極管,那么Pin引腳處的電壓被鉗制在多少呢?
雙向鉗位電路
依然根據(jù)伏安特性曲線分析:
當輸入Internal電壓大于VDD時,D1導通,D2截止,Pin的電壓為VDD+0.7V(約為VDD);
當輸入Internal電壓小于GND時,D1截止,D2導通,Pin的電壓為GND-0.7V約為GND);
故Pin腳的輸入電壓始終在VDD~GND范圍之間,這便是雙向鉗位電路的作用。
穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理
穩(wěn)壓二極管是利用二極管的擊穿特性來穩(wěn)定電壓,常用的穩(wěn)壓二極管為齊納二極管。
該二極管在正向偏置時,與普通二極管相同,壓降約為0.7V;反向偏置在未達到擊穿電壓時也與普通二極管相同,為斷路;但是當反向電壓達到擊穿電壓時,通過齊納二極管的反向電流會急劇增加,形成通路,但二極管兩端的擊穿電壓會保持不變,從而達到穩(wěn)壓效果。
具體可見開篇電路圖:
齊納二極管穩(wěn)壓
該齊納二極管的穩(wěn)定電壓(擊穿)為10V,當模擬量輸入信號在0-10V內(nèi)時,該D1分支斷路,進入AD芯片的電壓為采集到的電壓值;當模擬量輸入信號大于10V時,D1反向擊穿形成通路,進入AD芯片正負引腳之間的電壓穩(wěn)定在10V,從而保護AD芯片不受損壞。
結論
二極管
穩(wěn)壓二極管是一種特殊的鉗位二極管;
普通鉗位二極管利用的是二極管的正向特性和反向特性來鉗制電壓;穩(wěn)壓二極管利用的是二極管的擊穿特性來穩(wěn)壓;
普通鉗位
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