電(diàn)路设计串联连接齐纳二极管时会发生什么？

2020-10-29

齐纳二极管是许多(duō)集成電(diàn)路中使用(yòng)的基本半导體(tǐ)器件。这些组件很(hěn)简单，因為(wèi)它们在正向偏置时具有(yǒu)高跨导的整流性能(néng)。它们可(kě)以批量生产以用(yòng)于各种系统，并且可(kě)以用(yòng)作分(fēn)立组件。在某些電(diàn)路中，您可(kě)能(néng)希望利用(yòng)串联的齐纳二极管的整流特性来提供一些有(yǒu)用(yòng)的電(diàn)气特性。如果在您的電(diàn)路中这样做，则齐纳二极管的串联排列如何影响電(diàn)气性能(néng)？

答(dá)案取决于齐纳二极管是如何串联定向的—无论是端对端布置还是背靠背布置。当以这种方式串联放置齐纳二极管时，可(kě)以使用(yòng)基尔霍夫定律和欧姆定律的一些简单应用(yòng)来确定串联布置中電(diàn)压和電(diàn)流的分(fēn)布。在这里，您可(kě)能(néng)会遇到串联的齐纳二极管，以及各种布置如何影响串联電(diàn)路中的電(diàn)流和電(diàn)压分(fēn)布。

串联连接齐纳二极管

就像其他(tā)電(diàn)路元件一样，可(kě)以将多(duō)个齐纳二极管串联连接。串联二极管有(yǒu)两种类型的布置。端对端布置以阴极彼此面对或阳极彼此面对的方式串联布置。在这种情况下，一个齐纳二极管将被正向偏置，而另一个则被反向偏置。在端到端的布置中，一个二极管的阴极连接到另一个二极管的阳极，因此两个都将被正向偏置或两个都将被反向偏置。

端对端和背对背電(diàn)流-電(diàn)压二极管串联。

串联的每个二极管中的整流效应将决定電(diàn)压如何在这种布置中产生電(diàn)流。如果查看齐纳二极管電(diàn)流方程，则齐纳二极管的整流行為(wèi)会导致背靠背齐纳二极管的两个方向都出现電(diàn)流饱和。换句话说，由于一个二极管始终是反向偏置的，因此即使在正向偏置的二极管中，電(diàn)流也将被限制為(wèi)饱和電(diàn)流。在端到端的配置中不会发生这种情况，其電(diàn)流-電(diàn)压曲線(xiàn)看起来就像单个齐纳二极管的典型電(diàn)流-電(diàn)压曲線(xiàn)。下图显示了上述背对背和端对端配置中的電(diàn)流如何比较。

串联的齐纳二极管的端到端和背对背電(diàn)流-電(diàn)压关系。

由于端到端二极管的電(diàn)流和電(diàn)压特性与单个二极管中的電(diàn)流和電(diàn)压特性如此相似，因此我们无需进行更多(duō)研究。使用(yòng)基尔霍夫電(diàn)压定律和欧姆定律，可(kě)以证明端到端配置中每个二极管两端的压降相等，只要二极管具有(yǒu)相同的理(lǐ)想因数和饱和電(diàn)流即可(kě)。对于背靠背二极管，情况并非如此，如下所示。

背对背二极管中的電(diàn)压和電(diàn)流

要了解為(wèi)什么这种饱和行為(wèi)会在二极管的背对背排列中发生，我们需要使用(yòng)基尔霍夫定律和欧姆定律研究两个二极管中電(diàn)流和電(diàn)压的分(fēn)布。将相同的齐纳二极管的背靠背装置串联连接到直流電(diàn)压源时，会发生以下情况：

反向偏置的二极管处于饱和状态，因此它具有(yǒu)最高的阻抗，而正向偏置的二极管则具有(yǒu)最低的阻抗（根据欧姆定律）。

由于反向偏置二极管的阻抗最高，因此其压降最大，这限制了正向偏置二极管产生的電(diàn)流（由于基尔霍夫電(diàn)压定律）。

随着施加到这对二极管的電(diàn)压不断增加，電(diàn)路中的電(diàn)流接近饱和電(diàn)流（由于基尔霍夫電(diàn)流定律）。

通常，可(kě)以通过查看背对背排列中每个二极管的饱和電(diàn)流和理(lǐ)想因子来确定每个二极管两端的压降。如果使用(yòng)基尔霍夫電(diàn)流定律，则可(kě)以确定反向偏置二极管VB两端和正向偏置二极管VF两端的電(diàn)压降。这在以下等式中定义：

背对背齐纳二极管中的反向偏置和正向偏置電(diàn)压。

这很(hěn)好地总结了两个背对背配置串联的两个齐纳二极管的直流電(diàn)流和電(diàn)压行為(wèi)：電(diàn)压分(fēn)布完全取决于正向偏置二极管的理(lǐ)想因子和两个二极管中的饱和電(diàn)流。请注意，此行為(wèi)适用(yòng)于所有(yǒu)串联的二极管，而不仅仅是串联的齐纳二极管。串联的齐纳二极管与其他(tā)一些二极管的區(qū)别在于其击穿電(diàn)压和击穿期间的反向電(diàn)流，并且電(diàn)流-電(diàn)压特性将类似于单个二极管在击穿期间所看到的。

背对背二极管中的交流電(diàn)流限制

在反向偏置的单个二极管中看到的整流行為(wèi)会导致AC信号饱和，从而限制了反向偏置时可(kě)发送到電(diàn)路中的電(diàn)流。这是整流桥的基础。如果串联使用(yòng)齐纳二极管的背对背排列，则可(kě)以创建一个限流器，以提供削波的交流電(diàn)。

背靠背二极管中的整流效应可(kě)用(yòng)于创建削波電(diàn)路。下例显示了一个具有(yǒu)20 Hz输入正弦波的削波器。输出在串联二极管结构中获取，并在时域内绘制，如下面的電(diàn)路和图形所示。

双削波齐纳二极管電(diàn)路。

如果可(kě)以访问SPICE软件包，则可(kě)以使用(yòng)标准的二极管模型来生成与上图相似的图形。这是通过瞬态分(fēn)析完成的，瞬态分(fēn)析将向您显示電(diàn)路中交流電(diàn)流在时域中随交流電(diàn)压驱动时的变化。通过将整流扩展到输入AC波形的正负部分(fēn)，可(kě)以模仿基于稳压二极管的稳压器的行為(wèi)。然后，您可(kě)以将此削波的信号馈入另一个電(diàn)路（例如比较器），以生成干净的方波。