模拟电路基础知识（2）

5、二极管

1）二极管是常用的基础元器件，作用：防反、整流、稳压、续流、检波、倍压、钳位、包络线检测。

（1）防反作用

在主回路中，串联一个二极管，是利用二极管的单向导电的特性，实现了最简单可靠的低成本防反接功能电路。这种低成本方案一般在小电流的场合，类似小玩具等。因为二极管导通会有一个0.7V（硅管）的导通压降，如果实际电流很大的话，那么就会产生一个热损耗，会导致发热。而且如果反接的电压很大的话，超过反向截止电压，也会击穿二极管本身，导致二极管失效，起不到防反接的功能，从而不能起到保护后级电路的作用了。

（2）整流作用

整流电路是将交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。

（3）稳压作用

具备稳压作用的二极管叫做稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变，其基本电路结构如下图所示。

（4）续流作用

续流二极管都是并联在线圈两端，当线圈通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把元器件如三极管等造成损坏。续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。从而保护了电路中的其它元件的安全。

可做续流的二极管有：

普通二极管中：1N4007

快恢复二极管：FR107、1N4148

肖特基二极管：1N5819

（5）检波作用

峰值检波电路是对输入信号幅值的最大值进行检测，其工作原理是：当输入电压幅度大于二极管正向电压时，二极管导通，输出电压加在电容C1上，电容两端充电完毕，当输入电压幅值低于先前输入电压幅值时，二极管处于反偏截止状态。此时，电容两端的电压基本保持不变；若再输入信号，输入电压幅度必须高于此时电容两端的电压，即加在二极管的正向电压，二极管才能导通。

（6）倍压作用

下图是一个2倍压电路原理图，其工作过程大概分析如下：电源负半周时，二极管D1导通D2截止，电流从电源下端流出经过D1C1回到电源，因此电容C1右正左负，如下图中红色箭头。

电源正半周时，电容C1上的电压叠加电源电压，使二极管D2导通，二极管D1截止，电容C2上正下负，峰值电压可达2倍电源的峰值电压，即实现二倍压，该半周期时电流走向如下图中桔色箭头所示。

（7）ADC检测口电压钳位作用

在一些ADC检测电路中会用两个二极管进行钳位保护，原理很简单，0.7V为D1和D2的导通压降，Vin进来的电压大于等于3.3V+0.7V时，D35导通，Vout会被钳位在4V；Vin小于等于-0.7V时，Vout被钳位在-0.7V左右。

2）TVS&ESD保护二极管

Ø D5：TVS管-EDS器件，通常用在接口处，用于防静电；当手触摸按键时，有可能会释放静电，将芯片pin损坏；

（1）TVS和 EDS区别：

Ø 当TVS管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

Ø 静电放电即ESD（Electro-Static discharge），是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的产生、危害及静电防护等的学科，因此，国际上习惯将用于静电防护的器材统称为ESD。

Ø TVS管和ESD管的工作原理是一样的，但功率和封装是不一样的；ESD主要是用来防静电，防静电就要求电容值低；TVS就做不到这一点，TVS的电容值比较高。

Ø ESD静电二极管，主要功能是防静电，然而防静电要求电容值低，一般在1--3.5PF之间最好；而TVS二极管的电容值却比较高。

Ø ESD保护二极管，主要应用于板级保护；TVS二极管用于初级和次级保护。

Ø 选用ESD静电二极管时，更多看的是ESD二极管的的ESD rating (HBM/MM)和IEC61000-4-2的LEVEL，高速的USB和I/O非常重视ESD二极管的C；而选用TVS二极管时，看的是功率和封装形式；在实际应用中，二者通常相辅相成，紧密相连，各自发挥优势，更有效地为电路安全保驾护航！

（2）参数解析：

1）VRWM 截止电压，IR 漏电流

VRWM：截止电压， TVS的最高工作电压，可连续施加而不引起TVS 劣化或损坏的最大的直流电压或交流峰值电压。

在VRWM 下，TVS 认为是不工作的，即是不导通的。

IR：漏电流，也称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下，流过TVS 的最大电流。TVS 的漏电流一般是在截止电压下测量，对于某一型号TVS，IR 应在规定值范围内。

2）VBR 击穿电压

VBR：击穿电压，指在V-I 特性曲线上，在规定的脉冲直流电流IT或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS 两端的电压。对于低压TVS，由于漏电流较大，所以测试电流选取的IT较大。

3）IPP 峰值脉冲电流 ，VC 钳位电压

IPP：峰值脉冲电流，给定脉冲电流波形的峰值。TVS 一般选用10/1000μs 电流波形。

VC：钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流IPP 时，TVS 两端测得的峰值电压。

IPP 及VC 是衡量TVS 在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数，这两个参数是相互联系的。对于TVS 在防雷保护电路中的钳位特性，可以参考VC这个参数。对于相同型号TVS，在相同IPP下的VC 越小，说明TVS 的钳位特性越好。TVS 的耐脉冲电流冲击能力可以参考IPP，同型号的TVS，IPP越大，耐脉冲电流冲击能力越强。

（3）保护管选型方式

Ø TVS器件选型

（1）TVS是用来防护浪涌电流的，如果知道要防护的最大电流Ipp最好。首先确定TVS的Ipp。

（2）再其次确定待防护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电，应计算出最大值，即用有效值*1.414。

（3）根据2中已知工作电压，选择TVS的Vrwm，要求Vrwm要大于工作电压，否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大，接近导通，或者雪崩击穿，影响正常电路工作。

（4）所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。

（5）其中2-4步可以先于1，如果不知Ipp，可以根据信号的功率确定Ipp。

（6）单极性还是双极性-常常会出现这样的误解即双向TVS用来抑制反向浪涌脉冲，其实并非如此。双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号，那麽单向TVS就足够了。TVS操作方式如下：正向浪涌时,TVS处于反向雪崩击穿状态；反向浪涌时，TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。

这个时候需要参考TVS的正向导通峰值电流，Ifsm。5.0SMDJ系列的最大正向导通电流为300A。

Ø ESD器件选型

（1）计算接口信号幅值的范围来确定ESD器件的工作电压；

（2）根据信号类型决定使用单向或者双向ESD器件;

（3）根据信号速率决定该接口能承受的最大寄生电容；

（4）根据电路系统的最大承受电压冲击，选择适合的钳位电压；

（5）确保ESD器件可达到或超过IEC 61000-4-2 level4。

Ø 例如USB2.0接口保护电路：

TVS 的截止电压（Vrmw）应大于被保护电路的最高工作电压；

TVS 钳位电压（VC）应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压；

6、三极管和MOS管

肖特基二极管是二极管，特点是低功耗、超高速、反向恢复时间极短、正向压降小，适合做整流电路；

场效应管是三极管，特点是输入阻抗高、噪声小、功耗低、漏电流小，开关特性好，适合做放大电路或开关电路。

7、晶振

晶振一般指石英晶体振荡器，也叫晶体振荡器。晶体振荡器是一种使用逆压电效应的电子振荡器电路，即当电场施加在某些材料上时，它会产生机械变形。因此，它利用压电材料的振动晶体的机械共振来产生具有非常精确频率的电信号。

1）晶振阻抗频率：

晶体的等效阻抗具有串联谐振，其中Cs在晶体工作频率下与电感Ls谐振。该频率称为晶体系列频率ƒs。除了这个串联频率之外，当Ls和Cs与并联电容器Cp谐振时产生并联谐振，如下图所示，还建立了第二个频率点。

上面晶体阻抗的斜率表明，随着频率在其端子上增加，在特定频率下，串联电容器Cs和电感器Ls之间的相互作用产生了一个串联谐振电路，将晶体阻抗降至最低并等于Rs，这个频率点称为晶体串联谐振频率ƒs，低于ƒs晶体是电容性的。

随着频率增加到该串联谐振点以上，晶体的行为就像一个电感，直到频率达到其并联谐振频率ƒp。

在这个频率点，串联电感Ls和并联电容器Cp之间的相互作用产生了一个并联调谐的LC谐振电路，因此晶体两端的阻抗达到了最大值。

因此，根据电路特性，石英晶体可以用作电容、电感、串联谐振电路或并联谐振电路，为了更清楚地说明这一点，我们可以·看下图晶体电抗与频率的关系。

2）晶振电抗频率

如下图所示，电抗与上述频率的斜率表明，频率ƒs处的串联电抗与Cs成反比，因为低于ƒs和高于ƒp晶体呈现电容性。

在频率ƒs和ƒp之间，由于两个并联电容抵消，晶体呈现电感性。晶振电抗频率图如下：

3）串联和并联谐振频率

根据下图的等效电路图可以得出串联谐振频率：晶振等效电路图如下：

4）晶体振荡器Q因子：

晶振在串联谐振频率下的Q因子为：

高Q因子值还有助于晶体在其工作频率下的更高频率稳定性，使其成为构建晶体振荡器电路的理想选择。

晶体的厚度不平行或不均匀，它可能具有两个或多个谐振频率，都具有产生所谓的谐波的基频和谐波，例如二次或三次谐波。影响晶振振荡频率的主要因素

5）工作点变化

对于晶振来说，工作点的稳定性需要更高的考虑。

（1）温度变化：振荡电路中的振荡电路包含各种元件，例如电阻、电容和电感。它们的所有参数都取决于温度，由于温度的变化，它们的值会受到影响，这就会影响到振动电路频率的变化。

（2）电源影响：供电功率的变化会影响频率，电源变化导致Vcc变化，从而影响所产生的振荡频率。

（3）输出负载变化：输出电阻或输出负载的变化会影响振荡器的频率。当连接负载时，储能电路的有效电阻会发生变化。

（4）元件间电容的变化：元件间电容是在二极管和晶体管等PN结材料中产生的电容，由于它们在操作过程中存在的电荷而产生的。

由于温度、电压等各种原因，元件间电容会发生变化。不过这个问题可以通过跨过有问题的元件间电容连接电容来解决。

（5）Q值：振荡器中的Q（品质因数）值必须很高。调谐振荡器中的Q值决定了选择性。由于该Q与调谐电路的频率稳定性成正比，因此Q值应保持较高。如果Q值的变化，将会影响到频率稳定性。

6）晶振为什么要加电容？

为了要满足谐振的条件。晶振的标称值在测试时有一个“负载电容”的条件，在工作时满足这个条件，振荡频率才与标称值一致，也就是说，只有连接合适的电容才能满足晶振的起振要求，晶振才能正常工作。

Ø 在设计PCB时，贴片晶振需要做两种处理：

1、周围包地的处理 --防止；

2、挖空晶振下方的平面层 -- （1）因为晶振的两个焊盘与其下方的地平面存在着寄生电容（C=εs/4πkd，寄生电容值与焊盘到平面的距离d成反比），会导致晶振振荡偏离，影响晶振正常工作；（2）温度也会影响频偏，挖空可以隔绝热传导，避免周围的PMIC或者其他发热体的热量透过铜皮传导到晶振，从而抑制热传导导致的频偏；

8、自恢复保险丝

1）工作原理为：

在常温下保持较低的电阻值，当温度升高(因电流过大或者周围环境温度上升引起)超过临界温度值时，内部晶体熔化使结构发生改变，造成电阻值急剧上升到MΩ,从而对电路形成阻断，达到电路保护的目的。如果温度恢复正常，聚合物重新冷却结晶，导电颗粒再度形成导电通路，电阻又将降到极低的水平。

2）快熔断和慢熔断保险丝应用？

纯阻性电路（没有或很少浪涌）或需要保护IC等敏感器件的电路中必须采用快熔断保险丝；

而容性或感性电路（开关机时有浪涌）、电源输入输出部分最好采用慢熔断保险丝。

除了保护IC的电路外，大部分使用快熔断保险丝的场合都能够改用慢熔断保险丝，使其提高抗干扰能力。但是在使用慢熔断的地方若改用快熔断，会造成开机断保险丝的现象。

电源模块在实际应用中，经常会有浪涌电流或冲击电流，即部分电路在开关瞬间电流会比平时高出好几倍，一般电流峰值很高，出现时间短。正常的普通保险丝是承受不了这种电流的，如果使用了会导致电路无法正常启动，换成大规格的电流保险丝会导致电路中出现过载电流时无法起保护作用。因此，选择慢断保险丝可以解决这个问题，避免了模块因在启动瞬间产生的瞬间电流超过其限定值，不在启动瞬间熔断，而是连续超过限定值才熔断。需要注意的是保险丝取太小容易引起误熔断，取太大了无法起保护，容易引起一个电路输入短路而导致电源供电中断。

3）保险丝选择指南：

保险丝也称为电流保险丝，在IEC127标准中定义为“熔断体”。主要起到过载保护的作用。如果在电路中正确放置保险丝，当电流异常上升到一定高度并发热时，保险丝会自爆切断电流，从而保护电路的安全运行。

（1）工作电流：为避免误烧，工作电流通常降低25%。例如，熔断器的额定电流为10A，通常建议工作电流不超过7.5A。

（2）工作电压：熔断器的额定电压应大于或等于有效电路电压。

审核编辑：黄飞