箝位二极管的原理功能和应用

夹具意味着卡住位置。在电路中，是控制电压的手段。箝位二极管是一种二极管，用于限制电路中某一点的电位，将输入电压控制到峰值到预定电压，而不改变信号。工作原理也是二极管的单向电导率。

箝位二极管的原理是什么？要理解这个问题，首先要了解钳位电路。能够将输入输出信号波形的某一部分固定在选定电平的电路称为箝位电路。如果要更改箝位电平，可以在电路中连接直流电位。如果要箝位脉冲的底部，可以在侧面反转二极管。下图显示了典型集成运算放大器模块的输入信号箝位电路。

箝位二极管保护电路由两个反向串联的二极管组成。一次只能导通一个二极管，另一个处于关断状态。结果，它的正向和反向压降将被钳位到二极管的正向导通上。压降低于0.5-0.7，以保护电路。

箝位电路的作用是将周期性变化波形的顶部或底部保持在一定的直流电平。以一个普通二极管箝位电路为例，假设输入信号，在零时间，uO（0+）=+E，uO产生幅度为E的正跃迁。之后，在0到t1之间，二极管D导通，电容C的充电电流很大，uC很快等于E，导致uO=0。在 t1 处，ui（t1）=0，uO 再次出现振幅 -E 跳跃。在t1~t2期间，D关断，充电电容C只能通过R放电，通常R的值非常大，导致uC下降非常缓慢，uO变化很小。在 t1 处，uI（t2） = E，并且 uO 具有振幅 E 的跳跃。在 t2 至 t3 期间，D 导通，电容 C 充电。与从0到t1的周期不同，此时电容器上存储了大量电荷，因此充电持续时间更短，uO降低到零的速度更快。稍后重复上述过程，uO和uC的波形。可以看出，uO的顶部基本上被限制在零电平，因此该电路称为零电平正峰值（或顶部）箝位电路。

将二极管反接，将输入矩形波的底部箝位在零电平，形成零电平负峰值（或底部）箝位电路。

三极管箝位电路，如果它的BE结也看成是二极管，那么，就箝位原理而言，所示电路是完全相同的，只是电路还具有放大作用。

为了更好地了解箝位二极管的原理，以下是两种不同城市原理的介绍：

1.负箝位二极管电路

负箝位二极管电路的电路结构

工作原理：

当Vi为正半个周期时;充电开始，电容器C充电至V值。此时，箝位二极管导通，Vo=0V。

当Vi为负半周期时，停止充电，电容上的电压为-V，同时加负半周期电压-V，Vo=-2V。

2.偏置型箝位二极管电路

偏置式箝位二极管电路的电路结构

工作原理：

当Vi为正半个周期时，二极管DON，C充电至V值（左正，右负），Vo=+V1（a）或-V1（b）。

当Vi为负半周期时，二极管DOFF，RC时间常数足够大，Vo=VC+Vi（负半周期）=2V。

二、职能

在箝位电路中，二极管的阴极接地，正极端子电路箝位低于零电位;

1.当二极管的阴极接地，正端电路的电位高于地时，二极管会导通并拉低其电位，即将正端电路箝位至零电位或以下（忽略管压降）。

2.当二极管的阳极接地，负极电路的电位高于地时，二极管将被切断，其电位不会受到二极管的影响;

3.在箝位电路中，如果二极管的阴极连接到+5V，则正极端子电路被箝位到+5V电位以下;

4.在箝位电路中，如果二极管的阳极连接到+5V，则负极端子电路将被箝位到+5V电位以上。

钳位电路的作用

箝位二极管是1N5177肖特基二极管，因为它们的正向导通电压等于约0.4V，低于运算放大器输入静电放电（ESD）保护二极管的正向导通电压;因此，箝位二极管将在ESD二极管开始导通电流之前。过压保护电阻 ROVP 限制流过箝位二极管的正向电流，使其低于最大额定电流，并防止电流过大造成损坏。使用反馈环路电阻RFB是因为同相输入端的任何输入偏置电流都会流过ROVP并产生输入电压误差 - 增加RFB值可以消除误差，因为它会在反相输入端产生类似的电压。

三、应用

1.用于保护 GPIO

GPIO的内部电路结构采用箝位二极管电路，如下图所示。其功能是防止来自外部I/O引脚的电压输入过高或过低而对内部电路造成损坏。如果来自Pin的信号输入（假设任何输入信号具有一定的内阻）电压超过VDD加上上二极管的导通压降（驱动0.7V），二极管将导通，多余的电流将被吸引到VDD，而输入到内部的实际信号电压不会超过VDD+0.7V。同样，如果来自Pin的信号电压输入低于VSS，则由于较低二极管的影响，实际输入内部信号电压将被箝位至VSS-0.7V左右。

GPIO的电路配置

GPIO的基准电源VDD由钳位二极管D1的阴极拉起，箝位二极管D2的阳极连接到GND。

当输出电压大于VDD时;D1导通，D2关断，引脚电压为VDD（忽略二极管导通压降）;

当输入电压小于GND时;D1关断，D2导通，引脚电压为GND（忽略二极管的导通压降）;

因此，输入电压范围可以控制在［GND，VDD］之间，以保护引脚免受损坏。如何确定 GPIO 是否损坏？方法如下：

首先，将万用表调整到二极管位置，将红色测试引线连接到主板的GND，并将黑色测试引线连接到测试GPIO引脚。此时，是测量二极管D2是否损坏。测试值是二极管的导通值，一般范围为0.4-0.6V。超出此范围就是二极管击穿。

其次，将红色测试引线连接到测试 GPIO 引脚，将黑色测试引线连接到 GND。此时，是测量二极管D1是否损坏。

添加箝位二极管可以保护微控制器的输入和输出端口。如上图所示，增加两个肖特基二极管作为钳位二极管，可以有效防止GPIO被静电击穿。当电压大于VDD时，D1导通，静电通过D1释放到VDD;当电压小于GND时，D2导通，静电通过D2释放到GND。由于需要快速释放静电，一般选择肖特基二极管或快速开关二极管作为箝位二极管。

2.其他用途

箝位电路也经常用于各种显示设备。在示波器和雷达显示器中，采用钳位电路恢复扫描信号的直流分量，以解决扫描速度变化引起的图像位置在屏幕上移动的问题。在电视系统中，采用钳位电路将全电视信号的同步脉冲顶部保持在固定电压，以克服直流分量损耗或干扰引起的电平波动，从而实现电视同步信号的分离。

箝位二极管将产生箝位电压。它限制的对象可以是需要过压保护的对象，例如开关电源中的MOS管。需要一个钳位网络来限制D极和S极之间的电压，以保护MOS免受损坏。