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在模擬量采集電路設(shè)計(jì)中，如果AD芯片允許的電壓輸入范圍是0-10V，但采集信號(hào)的范圍是0-218VDC（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10V）時(shí)，如何保證進(jìn)入AD芯片的電壓在0-10V范圍內(nèi)呢？

【資料圖】

措施之一是：在AD芯片的正負(fù)輸入引腳之間加一個(gè)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(jìn)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(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)在某個(gè)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?yàn)榉€(wěn)壓二極管能夠穩(wěn)定某點(diǎn)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(jìn)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(shí)，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(shí)可看做短路。

反向特性：二極管的兩端電壓U->U+時(shí)，反向偏置，電流約為零，理論分析時(shí)可看做斷路。

擊穿特性：反向特性中，當(dāng)反向電壓繼續(xù)增大至臨界電壓時(shí)（40V左右），二極管會(huì)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(dǎo)通）和反向特性（斷路）來進(jìn)行電位的鉗制，實(shí)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(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)鉗制在固定值。

下圖即為針對(duì)Usc點(diǎn)的鉗位電路設(shè)計(jì)，圖中Usc處的電壓究竟是多少呢？以伏安特性曲線知識(shí)為基礎(chǔ)，我們有兩種分析方法：

假設(shè)法

假設(shè)Usc=6.7V，則D1、D2均正向偏置，但若D2正向偏置，則Usc會(huì)被D2強(qiáng)制下拉到2.7V，與Usc的初始假設(shè)矛盾。

假設(shè)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(shí)判斷法

根據(jù)“水往低處流”的基本常識(shí)，12V→6V與12V→2V，電流會(huì)更傾向于往2V的地方流動(dòng)，所以粗略分析，Usc處的電壓為2.7V的概率會(huì)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(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)鉗制在某個(gè)范圍值。

下圖中，在引腳Pin處上下各添加了1個(gè)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(dāng)輸入Internal電壓大于VDD時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，Pin的電壓為VDD+0.7V（約為VDD)；

當(dāng)輸入Internal電壓小于GND時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)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(shí)，與普通二極管相同，壓降約為0.7V；反向偏置在未達(dá)到擊穿電壓時(shí)也與普通二極管相同，為斷路；但是當(dāng)反向電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，通過齊納二極管的反向電流會(huì)急劇增加，形成通路，但二極管兩端的擊穿電壓會(huì)保持不變，從而達(dá)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(dāng)模擬量輸入信號(hào)在0-10V內(nèi)時(shí)，該D1分支斷路，進(jìn)入AD芯片的電壓為采集到的電壓值；當(dāng)模擬量輸入信號(hào)大于10V時(shí)，D1反向擊穿形成通路，進(jìn)入AD芯片正負(fù)引腳之間的電壓穩(wěn)定在10V，從而保護(hù)AD芯片不受損壞。

結(jié)論

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；

普通鉗位二極管分為單向鉗位和雙向鉗位；單向鉗位是利用一個(gè)二極管將某電位點(diǎn)鉗制在固定值；雙向鉗位是利用兩個(gè)二極管將某電位點(diǎn)鉗制在一個(gè)既定的電壓范圍。

好了，今天就到這里了，歡迎大家一起討論學(xué)習(xí)！

審核編輯：湯梓紅