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技術(shù)專題
電路設(shè)計(jì)串聯(lián)連接齊納二極管時(shí)會(huì)發(fā)生什么？
齊納二極管是許多集成電路中使用的基本半導(dǎo)體器件。這些組件很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡蚱脮r(shí)具有高跨導(dǎo)的整流性能。它們可以批量生產(chǎn)以用于各種系統(tǒng)，并且可以用作分立組件。在某些電路中，您可能希望利用串聯(lián)的齊納二極管的整流特性來(lái)提供一些有用的電氣特性。如果在您的電路中這樣做，則齊納二極管的串聯(lián)排列如何影響電氣性能？
答案取決于齊納二極管是如何串聯(lián)定向的—無(wú)論是端對(duì)端布置還是背靠背布置。當(dāng)以這種方式串聯(lián)放置齊納二極管時(shí)，可以使用基爾霍夫定律和歐姆定律的一些簡(jiǎn)單應(yīng)用來(lái)確定串聯(lián)布置中電壓和電流的分布。在這里，您可能會(huì)遇到串聯(lián)的齊納二極管，以及各種布置如何影響串聯(lián)電路中的電流和電壓分布。
串聯(lián)連接齊納二極管
就像其他電路元件一樣，可以將多個(gè)齊納二極管串聯(lián)連接。串聯(lián)二極管有兩種類型的布置。端對(duì)端布置以陰極彼此面對(duì)或陽(yáng)極彼此面對(duì)的方式串聯(lián)布置。在這種情況下，一個(gè)齊納二極管將被正向偏置，而另一個(gè)則被反向偏置。在端到端的布置中，一個(gè)二極管的陰極連接到另一個(gè)二極管的陽(yáng)極，因此兩個(gè)都將被正向偏置或兩個(gè)都將被反向偏置。
端對(duì)端和背對(duì)背電流-電壓二極管串聯(lián)。
串聯(lián)的每個(gè)二極管中的整流效應(yīng)將決定電壓如何在這種布置中產(chǎn)生電流。如果查看齊納二極管電流方程，則齊納二極管的整流行為會(huì)導(dǎo)致背靠背齊納二極管的兩個(gè)方向都出現(xiàn)電流飽和。換句話說(shuō)，由于一個(gè)二極管始終是反向偏置的，因此即使在正向偏置的二極管中，電流也將被限制為飽和電流。在端到端的配置中不會(huì)發(fā)生這種情況，其電流-電壓曲線看起來(lái)就像單個(gè)齊納二極管的典型電流-電壓曲線。下圖顯示了上述背對(duì)背和端對(duì)端配置中的電流如何比較。
串聯(lián)的齊納二極管的端到端和背對(duì)背電流-電壓關(guān)系。
由于端到端二極管的電流和電壓特性與單個(gè)二極管中的電流和電壓特性如此相似，因此我們無(wú)需進(jìn)行更多研究。使用基爾霍夫電壓定律和歐姆定律，可以證明端到端配置中每個(gè)二極管兩端的壓降相等，只要二極管具有相同的理想因數(shù)和飽和電流即可。對(duì)于背靠背二極管，情況并非如此，如下所示。
背對(duì)背二極管中的電壓和電流
要了解為什么這種飽和行為會(huì)在二極管的背對(duì)背排列中發(fā)生，我們需要使用基爾霍夫定律和歐姆定律研究?jī)蓚€(gè)二極管中電流和電壓的分布。將相同的齊納二極管的背靠背裝置串聯(lián)連接到直流電壓源時(shí)，會(huì)發(fā)生以下情況：
反向偏置的二極管處于飽和狀態(tài)，因此它具有最高的阻抗，而正向偏置的二極管則具有最低的阻抗（根據(jù)歐姆定律）。
由于反向偏置二極管的阻抗最高，因此其壓降最大，這限制了正向偏置二極管產(chǎn)生的電流（由于基爾霍夫電壓定律）。
隨著施加到這對(duì)二極管的電壓不斷增加，電路中的電流接近飽和電流（由于基爾霍夫電流定律）。
通常，可以通過(guò)查看背對(duì)背排列中每個(gè)二極管的飽和電流和理想因子來(lái)確定每個(gè)二極管兩端的壓降。如果使用基爾霍夫電流定律，則可以確定反向偏置二極管VB兩端和正向偏置二極管VF兩端的電壓降。這在以下等式中定義：
背對(duì)背齊納二極管中的反向偏置和正向偏置電壓。
這很好地總結(jié)了兩個(gè)背對(duì)背配置串聯(lián)的兩個(gè)齊納二極管的直流電流和電壓行為：電壓分布完全取決于正向偏置二極管的理想因子和兩個(gè)二極管中的飽和電流。請(qǐng)注意，此行為適用于所有串聯(lián)的二極管，而不僅僅是串聯(lián)的齊納二極管。串聯(lián)的齊納二極管與其他一些二極管的區(qū)別在于其擊穿電壓和擊穿期間的反向電流，并且電流-電壓特性將類似于單個(gè)二極管在擊穿期間所看到的。
背對(duì)背二極管中的交流電流限制
在反向偏置的單個(gè)二極管中看到的整流行為會(huì)導(dǎo)致AC信號(hào)飽和，從而限制了反向偏置時(shí)可發(fā)送到電路中的電流。這是整流橋的基礎(chǔ)。如果串聯(lián)使用齊納二極管的背對(duì)背排列，則可以創(chuàng)建一個(gè)限流器，以提供削波的交流電。
背靠背二極管中的整流效應(yīng)可用于創(chuàng)建削波電路。下例顯示了一個(gè)具有20 Hz輸入正弦波的削波器。輸出在串聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)中獲取，并在時(shí)域內(nèi)繪制，如下面的電路和圖形所示。
雙削波齊納二極管電路。
如果可以訪問(wèn)SPICE軟件包，則可以使用標(biāo)準(zhǔn)的二極管模型來(lái)生成與上圖相似的圖形。這是通過(guò)瞬態(tài)分析完成的，瞬態(tài)分析將向您顯示電路中交流電流在時(shí)域中隨交流電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)的變化。通過(guò)將整流擴(kuò)展到輸入AC波形的正負(fù)部分，可以模仿基于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓器的行為。然后，您可以將此削波的信號(hào)饋入另一個(gè)電路（例如比較器），以生成干凈的方波。