初級模擬電路：1-8 齊納二極管

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      齊納二極管（Zener diode）又叫穩壓二極管，也是一種特殊用途二極管，但由於齊納二極管的是如此之重要，內容又比較多，所以這里單獨拉出來作為一個小節講。其電路符號如下圖所示：

圖 1-8.01 

 

1.   特性簡介

      在前面1-2節介紹反向擊穿的時候，已經講過齊納擊穿的原理，當二極管反向齊納擊穿時，電流會急劇變化，而電壓幾乎保持不變。如下圖所示：

圖 1-8.02 

      齊納二極管可以工作在反向齊納擊穿區域而不造成永久損壞，半導體制造廠商通過精細地控制摻雜濃度來設置反向擊穿電壓。一般齊納二極管的反向擊穿電壓從1.8V~200V不等，額定功率從1/4W~50W不等。

      雖然齊納二極管又被稱為“穩壓二極管”，但是齊納二極管的反向擊穿伏安曲線並不是理想的垂直線，而是有一個輕微的傾斜，所以，它既沒有集成穩壓器（如7805）那么平穩的波動抑制能力，也不能在大負載電流變化時使用。齊納二極管只能在小電流應用且對精度要求不高的情況下，作為一種低成本的穩壓手段使用。其典型穩壓應用電路如下圖所示：

圖 1-8.03 

      當輸入電壓正常時，齊納二極管V_Z 截止，不影響系統正常供電。當輸入電壓突然過高時，齊納二極管V _Z 導通，此時流過齊納二極管的電流急劇增加，增加的電流使電阻R承擔更多的壓降，從而使得系統的電壓穩定在齊納電壓值附近。下面的二極管D是用來防止輸入電壓接反的。上圖只是比較簡單的用法，當齊納二極管和晶體管或運放等器件組合使用時，可以構建出比較好的穩壓器，這個后面我們以后分析專用電路的時候再講。

 

2.   齊納性能參數

      齊納二極管在正偏時，各性能參數基本同普通二極管，但在反偏時，比普通二極管多了很多描述參數。下面我們以摩托羅拉公司（飛思卡爾的前身）生產的的齊納二極管的datasheet為例，來解讀齊納性能參數。

      點此鏈接閱讀和下載數據規格書。

 

（1） 產品特點

圖 1-8.04 

      上圖中我用紅色標注了幾個重點：

      ● 此規格書涵蓋了從1N5333B~1N5388B的幾十種齊納二極管的數據參數，穩壓范圍從3.3V~220V不等，所有型號的額定功率都是5W。

      ● 這個系列的所有齊納二極管可以承受瞬間（8.3毫秒）的浪涌功率，其最大可承受功率達到180W。

 

（2） 性能參數

      所有性能參數都在規格書第2~3頁的表格中予以列出，這里我們僅以第一行的1N5333B為例進行解讀。

圖 1-8.05 

      為了方便理解，我在每一個參數上都標了一個序號，我們將以這個序號為順序，逐條解釋每個參數的含義。在解讀參數時，還需要同時對照下圖，才能理解各個參數的含義。

圖 1-8.06 

      ① 首先是I_ZM（齊納最大電流），這是齊納二級管能承受的最大反偏電流，當反偏電流大於這個值時，齊納二極管可能會永久損壞。

      ② I_ZT（齊納測試電流），T（test）的意思是測試，一般制造廠商會選取I_ZM的約1/4處作為測試電流。

      ③ V_Z（齊納電壓），這個就是最重要的指標：齊納電壓（Zener voltage）。從曲線上來看，齊納擊穿區域是有一個范圍的，但制造商為方便起見，一般會將齊納電壓V_Z定義為在測試電流I_ZT時的電壓。根據后面的Note 1的說明，這個值一般會有5%的誤差。

      ④ I_ZK（齊納拐點電流），K（knee）的意思是拐點，一般認為，從K點開始進入齊納擊穿區域，其實在到達K點時，反偏電流已經比較大了，只不過在K點后電流開始急劇增大。（數據規格書中將I_ZK定為1mA）。

      ⑤ & ⑥ V_R與I_R（反偏安全電壓、反偏漏電流），當反偏電壓小於V_R時，反偏漏電流I_R會維持一個很小的值（微安級）。注意I_R與I_ZK在數量級上的差別。

      ⑦ Z_ZT（在I_ZT時的動態電阻），規格書中把動態電阻稱為齊納阻抗（Zener impedance）。在T點處的伏安曲線的斜率非常陡峭，所以此動態電阻的值比較小，在表格中我們可以看到僅為3Ω。

      ⑧ Z_ZK（拐點動態電阻），這是在拐點K處的斜率，比T點處要平緩得多，所以此處動態電阻比較大，表格中為400Ω。

      ⑨ i_r（最大浪涌電流），這是齊納二極管能承受的瞬間浪涌電流，表格中的數值高達20A。

      ⑩ ΔV_Z（穩壓范圍），這個在后面的Note 4解釋了，為在I_ZM的10%處和I_ZM的50%處測得的2個齊納電壓的差值。

 

3.   設計案例

      現在我們來看如何根據上面的參數來選型和設計齊納二極管電路：

案例1-8-1：已知負載R_L=1kΩ，v_i正常供電電壓為12V，R_L的額定工作電壓要求為12V，且最低至10V時也能工作，現設計穩壓電路如下圖所示。問題：（1）應該選擇什么型號的齊納二極管？（2）電阻R的取值應為多大？（3）這個電路可接受的供電電壓v_i波動范圍最大為多少？

      解：（1）對於12V的穩壓要求，我們查數據手冊，可選型1N5349B的齊納二極管。其齊納電流范圍為： I_ZK=1mA，I_ZM=395mA。

      （2）在v_i較小時，齊納二極管D_Z截止（可視為斷路），電阻R會對R_L產生分壓作用，由於v_i=12V，且V_RL最小要求為10V，則電阻R最大為：

      （3）當v_i升高時，V_RL也會升高，當V_RL大於12V時，齊納二級管D_Z會導通，以使V_RL穩定在12V左右。前面我們已查手冊知，1N5349B可允許的最大電流I_ZM=395mA，此時電阻R上的電流為D_Z與R_L中電流的總和：

      此時電路的總電壓為：

      因此，這個電路最大能接受供電電壓v_i上升到93.4V，而輸出電壓穩定在12V左右。但因為齊納阻抗的影響，輸出會在12V上下略有波動。

      v_i的能接受的最小輸入電壓為12V，如果再小，由於電阻R的分壓作用，負載R_L上的電壓就會低於10V，而導致系統停止工作。

     

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