引言：Zener常用于在可能發(fā)生電壓波動(dòng)的地方進(jìn)行穩(wěn)壓（鉗位），比如驅(qū)動(dòng)IGBT，F(xiàn)ET等等，因此Zener既可以視作功能器件，也可以視作保護(hù)器件，本節(jié)簡(jiǎn)述Zener（齊納二極管）的一些使用方法和使用場(chǎng)景。

1.穩(wěn)壓

Zener通常用于產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，在圖4-1中，ZD1通過串聯(lián)電阻器連接到電壓源，負(fù)載電阻器Rload并聯(lián)連接到Zener，該負(fù)載也可以是需要穩(wěn)定電源電壓的復(fù)雜電子電路。

圖4-1：Zener的簡(jiǎn)易穩(wěn)壓器

對(duì)于預(yù)期的可能最高負(fù)載電流，必須選擇串聯(lián)電阻器R1的值，剩余電流也流過Zener，通過Zener的最小電流應(yīng)確保二極管在反向?qū)ǖ亩盖蛥^(qū)域中工作，數(shù)據(jù)表中測(cè)量的Vz電流是一個(gè)很好的參考數(shù)據(jù)，這意味著對(duì)于高達(dá)17V的Vz值約為5mA，對(duì)于具有高齊納電壓的Zener約為2mA。

R1耗散的功率為：

如果沒有連接負(fù)載，Zener具有最大的功耗，在這種情況下，通過R1的所有電流都流過二極管：

圖4-1所示的基本穩(wěn)壓器電路用于低功率要求，對(duì)于具有更高功率要求的負(fù)載電路，當(dāng)負(fù)載關(guān)斷時(shí)，全部電流通過R1，Zener也會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致無效功耗，或者如果在使用過程中負(fù)載電流消耗下降，則會(huì)產(chǎn)生較多的熱量。圖4-2中的電路顯著改善了這一點(diǎn)，ZD1通過R1被擊穿穩(wěn)壓，雙極晶體管Q1的基極連接到ZD1兩端的穩(wěn)定電壓，Rload處的輸出電壓根據(jù)以下等式確定：

如果假設(shè)基極電流只是通過R1的電流的一小部分，Zener中的功耗幾乎與負(fù)載電流無關(guān)。對(duì)于大約5V的輸出電壓，電路具有相當(dāng)好的熱穩(wěn)定性，因?yàn)榇蠹s?2.0mV/K的齊納電壓的熱系數(shù)通過具有非常相似系數(shù)的VBE的降低來補(bǔ)償。

圖4-2：帶雙極晶體管和齊納二極管參考電壓的穩(wěn)壓器

2. 箝位

大家需要注意一點(diǎn)，箝位和穩(wěn)壓是兩個(gè)不同的概念，穩(wěn)壓是需要Zener一直工作在擊穿區(qū)，而箝位則是當(dāng)遇到浪涌電壓時(shí)能及時(shí)擊穿箝住電壓水平。Zener的另一個(gè)重要應(yīng)用就是箝位不期望的過電壓。在圖4-3描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)載開關(guān)，MOSFET的柵極氧化物對(duì)過電壓很敏感。FET的內(nèi)部ESD二極管不應(yīng)用于箝位，因?yàn)樵谶@種情況下，柵極-源極電壓VGS高于數(shù)據(jù)表限制數(shù)值，ESD二極管的擊穿電壓高于規(guī)定的VGS額定值。在示例中，P-FET切換負(fù)載電流，一旦柵極相對(duì)于源極具有負(fù)電壓，F(xiàn)ET就會(huì)導(dǎo)通。如果開關(guān)S1導(dǎo)通，并聯(lián)ZD1的R2和R1的分壓器將柵極電壓固定，高于VGSth，柵極處的電壓由ZD1限制為在具有一定安全裕度的FET的VGS額定值內(nèi)的電平。柵極電壓可以通過不帶Zener的電阻分壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是在這種情況下，如果VIN涌入過電壓，則電路是不安全的。一旦負(fù)載開關(guān)斷開，電阻器R1就必須用于柵極放電，S1通常使用N-FET或BJT來實(shí)現(xiàn)。

圖4-3：帶有P-FET和Zener的負(fù)載開關(guān)，用于柵極電壓箝位

3.保護(hù)

圖4-4Q1正在切換電感負(fù)載，電感沒有續(xù)流二極管。一旦開關(guān)斷開，電流還會(huì)繼續(xù)流動(dòng)，L1產(chǎn)生的電壓高到足以擊穿FET的漏極D-源極S路徑。

圖4-4：反向電動(dòng)勢(shì)的擊穿隱患

圖4-5是保護(hù)MOSFET的另一種解決方案，在FET的漏極和柵極之間添加Zener的情況下，F(xiàn)ET可以再次略微導(dǎo)通，從而不會(huì)超過VDS額定值。FET在線性模式下短時(shí)間運(yùn)行，并且存儲(chǔ)在電感器中的能量在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)耗散在FET中。與L1并聯(lián)的簡(jiǎn)單續(xù)流二極管相比，漏極-源極路徑上的較高電壓損耗會(huì)讓電感器中存儲(chǔ)的較高功率能量更快衰減。

圖4-5：用Zener保護(hù)感性負(fù)載的開關(guān)

4.交流箝位

Zener可以用于所有箝位類型的應(yīng)用，其中電壓電平必須被箝位或保持在極限以下。圖4-6顯示了交流電源的電平限制器，對(duì)于正弦波源，最大值和最小值被對(duì)稱地削波到VZ+VF。

圖4-6：Zener對(duì)交流電壓的電平限幅示例

圖4-7是1kHz正弦波電壓源通過220Ω電阻提供給兩個(gè)VZ為5.6V的Zener的SPICE模擬結(jié)果。兩個(gè)Zener串聯(lián)連接，陽極連接（如 圖4-6 ），可以看出，削波電平比VZ高大約0.6V。使用類似的方法，Zener通常用于信號(hào)線的ESD和浪涌脈沖保護(hù)，通過電壓限幅功能，它們可以防止可能危及和損壞電子電路的過電壓。

圖4-7：對(duì)1kHz正弦波的對(duì)稱削波

5.電壓基準(zhǔn)

Zener經(jīng)常被用作電壓基準(zhǔn)，圖4-8顯示了一個(gè)示例，其中運(yùn)算放大器用作非反相緩沖器，ZD1提供穩(wěn)定的參考電壓，作為連接的電子負(fù)載的低阻抗輸出電壓。與圖4-1所示的電路相比，可以選擇通過Zener的電流較小。為了在低齊納電流下以窄的VZ擴(kuò)展來支持這種應(yīng)用，提供了專用的低電流Zener產(chǎn)品。這些元件的額定電流為50uA，而不是標(biāo)準(zhǔn)Zener使用的5mA額定電流。如果標(biāo)準(zhǔn)Zener用于低電流應(yīng)用，則應(yīng)提前對(duì)零件進(jìn)行測(cè)試，以便按要求箝位。

圖4-8：Zener作為運(yùn)算放大緩沖器的參考電壓

無論選擇哪家產(chǎn)品，在某些特殊的齊納電壓下，都可能出現(xiàn)雪崩效應(yīng)，但會(huì)有一些延遲，因此對(duì)于非常小的電流Iz，可能會(huì)出現(xiàn)如圖4-9所示的噪聲。如果Zener晶體摻雜有金或鉑，這些雜質(zhì)可以在低偏置電流下提供雪崩擊穿所需的載流子，這確保了即使在低雪崩電流的情況下，雪崩擊穿也能安全準(zhǔn)確地發(fā)生。

作為檢查Zener在低電流下可靠工作的實(shí)驗(yàn)，可以將高阻抗（如1MΩ）與Zener串聯(lián)，當(dāng)使用示波器測(cè)量VZ時(shí)，由電流源產(chǎn)生的低電流通過二極管，圖4-9顯示了這種不利的延遲。

圖4-9：Iz=30uA的75V-Zener的VZ，通過1MW阻抗供電，顯示了不穩(wěn)定的雪崩效應(yīng)