電路設計串聯(lián)連接齊納二極管時(shí)會(huì )發(fā)生什么？

2020-10-29

齊納二極管是許多集成電路中使用的基本半導體器件。這些組件很簡(jiǎn)單，因為它們在正向偏置時(shí)具有高跨導的整流性能。它們可以批量生產(chǎn)以用于各種系統，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)論是端對端布置還是背靠背布置。當以這種方式串聯(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(lèi)型的布置。端對端布置以陰極彼此面對或陽(yáng)極彼此面對的方式串聯(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。

端對端和背對背電流-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 )導致背靠背齊納二極管的兩個(gè)方向都出現電流飽和。換句話(huà)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(xiàn)看起來(lái)就像單個(gè)齊納二極管的典型電流-電壓曲線(xiàn)。下圖顯示了上述背對背和端對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和飽和電流即可。對于背靠背二極管，情況并非如此，如下所示。

背對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?jì)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(zhù)施加到這對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。

這很好地總結了兩個(gè)背對背配置串聯(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(lèi)似于單個(gè)二極管在擊穿期間所看到的。

背對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 )導致AC信號飽和，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。如果串聯(lián)使用齊納二極管的背對背排列，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)二極管結構中獲取，并在時(shí)域內繪制，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(fǎng)問(wèn)SPICE軟件包，則可以使用標準的二極管模型來(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)域中隨交流電壓驅動(dòng)時(shí)的變化。通過(guò)將整流擴展到輸入AC波形的正負部分，可以模仿基于穩壓二極管的穩壓器的行為。然后，您可以將此削波的信號饋入另一個(gè)電路（例如比較器），以生成干凈的方波。