齐纳二极管的串联排列如何影响电气性能?

出处:上海韬放电子 发布于:2021-01-11 14:07:55

  齐纳二极管是许多集成电路中使用的基本半导体器件。这些组件很简单,因为它们在正向偏置时具有高跨导的整流性能。它们可以批量生产以用于各种系统,并且可以用作分立组件。在某些电路中,您可能希望利用串联的齐纳二极管的整流特性来提供一些有用的电气特性。如果在您的电路中这样做,则齐纳二极管的串联排列如何影响电气性能?

  答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,可以使用基尔霍夫定律和欧姆定律的一些简单应用来确定串联布置中电压和电流的分布。在这里,您可能会遇到串联的齐纳二极管,以及各种布置如何影响串联电路中的电流和电压分布。

  串联连接齐纳二极管

  就像其他电路元件一样,可以将多个齐纳二极管串联连接。串联二极管有两种类型的布置。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。

  端对端和背对背电流-电压二极管串联。

  串联的每个二极管中的整流效应将决定电压如何在这种布置中产生电流。如果查看齐纳二极管电流方程,则齐纳二极管的整流行为会导致背靠背齐纳二极管的两个方向都出现电流饱和。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,电流也将被限制为饱和电流。在端到端的配置中不会发生这种情况,其电流-电压曲线看起来就像单个齐纳二极管的典型电流-电压曲线。下图显示了上述背对背和端对端配置中的电流如何比较。

  串联的齐纳二极管的端到端和背对背电流-电压关系。

  由于端到端二极管的电流和电压特性与单个二极管中的电流和电压特性如此相似,因此我们无需进行更多研究。使用基尔霍夫电压定律和欧姆定律,可以证明端到端配置中每个二极管两端的压降相等,只要二极管具有相同的理想因数和饱和电流即可。对于背靠背二极管,情况并非如此,如下所示。

  背对背二极管中的电压和电流

  要了解为什么这种饱和行为会在二极管的背对背排列中发生,我们需要使用基尔霍夫定律和欧姆定律研究两个二极管中电流和电压的分布。将相同的齐纳二极管的背靠背装置串联连接到直流电压源时,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  的阻抗,而正向偏置的二极管则具有  低的阻抗(根据欧姆定律)。

  由于反向偏置二极管的阻抗  ,因此其压降  ,这限制了正向偏置二极管产生的电流(由于基尔霍夫电压定律)。

  随着施加到这对二极管的电压不断增加,电路中的电流接近饱和电流(由于基尔霍夫电流定律)。

  通常,可以通过查看背对背排列中每个二极管的饱和电流和理想因子来确定每个二极管两端的压降。如果使用基尔霍夫电流定律,则可以确定反向偏置二极管VB两端和正向偏置二极管VF两端的电压降。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电压。

  这很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电流和电压行为:电压分布完全取决于正向偏置二极管的理想因子和两个二极管中的饱和电流。请注意,此行为适用于所有串联的二极管,而不仅仅是串联的齐纳二极管。串联的齐纳二极管与其他一些二极管的区别在于其击穿电压和击穿期间的反向电流,并且电流-电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电流限制

  在反向偏置的单个二极管中看到的整流行为会导致AC信号饱和,从而限制了反向偏置时可发送到电路中的电流。这是整流桥的基础。如果串联使用齐纳二极管的背对背排列,则可以创建一个限流器,以提供削波的交流电。

  背靠背二极管中的整流效应可用于创建削波电路。下例显示了一个具有20Hz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,如下面的电路和图形所示。

  双削波齐纳二极管电路。

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


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