钳位二极管和稳压二极管的工作原理

在模拟量采集电路设计中，如果AD芯片允许的电压输入范围是0-10V，但采集信号的范围是0-218VDC（远远大于10V）时，如何保证进入AD芯片的电压在0-10V范围内呢？

措施之一是：在AD芯片的正负输入引脚之间加一个10V的稳压二极管，将最大输入电压钳制在10V，如下图所示：

稳压二极管进行输入电压的稳压示意图

在此涉及到钳位电路/钳制电压的概念：钳位是指限制电路中某点的电动势在某个值/范围内，而用作钳位的二极管则称为钳位二极管。

从以上示例中可知，因为稳压二极管能够稳定某点电压，所以稳压二极管本质上是一种特殊的钳位二极管。

注：全文均以直流电路进行分析。

二极管的基本工作原理

各类二极管的工作原理是基于伏安特性曲线的，如下图：

二极管伏安特性曲线

正向特性：二极管的两端电压U+>U-时，正向偏置，压降稳定在0.7V左右，电流可无限大，理论分析时可看做短路。

反向特性：二极管的两端电压U->U+时，反向偏置，电流约为零，理论分析时可看做断路。

击穿特性：反向特性中，当反向电压继续增大至临界电压时（40V左右），二极管会被击穿而形成通路，该电压称为击穿电压Ubr。

不同材质、不同用途的二极管工作于不同的特性区。

普通钳位二极管的钳位原理

普通钳位二极管是利用二极管的正向特性（导通）和反向特性（断路）来进行电位的钳制，实际中常用到的有单向钳位电路和双向钳位电路。

1.单向钳位电路

单向钳位电路可以将电路中某点的电动势钳制在固定值。

下图即为针对Usc点的钳位电路设计，图中Usc处的电压究竟是多少呢？以伏安特性曲线知识为基础，我们有两种分析方法：

假设法

假设Usc=6.7V，则D1、D2均正向偏置，但若D2正向偏置，则Usc会被D2强制下拉到2.7V，与Usc的初始假设矛盾。

假设Usc=2.7V，则D2正向偏置，D1反向偏置，即断路，这样分析，电路不矛盾。

所以，Usc=2.7V。

常识判断法

根据“水往低处流”的基本常识，12V→6V与12V→2V，电流会更倾向于往2V的地方流动，所以粗略分析，Usc处的电压为2.7V的概率会更大。

图中Usc处电压被钳制在2.7V，这便是单向钳位电路的作用。

2. 双向钳位电路

双向钳位电路可以将电路中某点的电动势钳制在某个范围值。

下图中，在引脚Pin处上下各添加了1个钳位二极管，那么Pin引脚处的电压被钳制在多少呢？

双向钳位电路

依然根据伏安特性曲线分析：

当输入Internal电压大于VDD时，D1导通，D2截止，Pin的电压为VDD+0.7V（约为VDD)；

当输入Internal电压小于GND时，D1截止，D2导通，Pin的电压为GND-0.7V约为GND)；

故Pin脚的输入电压始终在VDD~GND范围之间，这便是双向钳位电路的作用。

稳压二极管的稳压原理

稳压二极管是利用二极管的击穿特性来稳定电压，常用的稳压二极管为齐纳二极管。

该二极管在正向偏置时，与普通二极管相同，压降约为0.7V；反向偏置在未达到击穿电压时也与普通二极管相同，为断路；但是当反向电压达到击穿电压时，通过齐纳二极管的反向电流会急剧增加，形成通路，但二极管两端的击穿电压会保持不变，从而达到稳压效果。

具体可见开篇电路图：

齐纳二极管稳压

该齐纳二极管的稳定电压（击穿）为10V，当模拟量输入信号在0-10V内时，该D1分支断路，进入AD芯片的电压为采集到的电压值；当模拟量输入信号大于10V时，D1反向击穿形成通路，进入AD芯片正负引脚之间的电压稳定在10V，从而保护AD芯片不受损坏。

结论

二极管

稳压二极管是一种特殊的钳位二极管；

普通钳位二极管利用的是二极管的正向特性和反向特性来钳制电压；稳压二极管利用的是二极管的击穿特性来稳压；

普通钳位二极管分为单向钳位和双向钳位；单向钳位是利用一个二极管将某电位点钳制在固定值；双向钳位是利用两个二极管将某电位点钳制在一个既定的电压范围。