汽車電子設(shè)計(jì)專欄---有源器件篇

實(shí)用的齊納二極管可能使用齊納效應(yīng)或雪崩效應(yīng)，在某些二極管中，這兩種效應(yīng)也可能同時發(fā)生，但通常的做法是將所有這些二極管都稱為齊納二極管。齊納效應(yīng)和雪崩效應(yīng)也在某種程度上取決于二極管的結(jié)溫。然而，雖然純齊納二極管中的電流具有負(fù)溫度系數(shù)，即電流隨溫度升高而降低，但在使用雪崩效應(yīng)的二極管中會出現(xiàn)相反的效應(yīng)。因此，可以制造同時使用這兩種效應(yīng)的齊納二極管，因此這些溫度效應(yīng)往往會相互抵消，從而生產(chǎn)出由于溫度而具有非常小的電流變化的二極管。

齊納二極管廣泛用于電源電路，用于穩(wěn)壓和過壓保護(hù)，通過適當(dāng)選擇硅中的尺寸和雜質(zhì)，可以控制發(fā)生反向擊穿的電壓。二極管V/I曲線的斜率在該區(qū)域變得非常平坦，該零件可以用作穩(wěn)壓器或鉗位電路，為此而特性化的零件稱為齊納二極管。擊穿電壓可以控制在2.4V至數(shù)百伏之間，最大為270V。在正向方向上，齊納二極管的功能就像普通的硅二極管一樣，具有更高的VF和很好的VF/IF特性。

就像其它零件一樣，齊納管也不是完美的。其斜率電阻不為零，其擊穿拐點(diǎn)不是很陡峭，在其低于擊穿電壓有漏電流，擊穿電壓具有公差和溫度系數(shù)。圖4.8演示了這些特性。

斜率電阻

齊納二極管提供一個已知的電壓，該電壓始終在給定的反向電流IZ下定義。在此電流下，它將在指定的公差范圍內(nèi)，但在其它電流下，它將有所不同，該差異是齊納斜率電阻（Rz）的函數(shù)。實(shí)際的工作電壓范圍可以通過將(IZ)Rz加到參考的電壓范圍，其中I是工作電流，IZ是引用齊納電壓的電流。

圖4.8齊納反向擊穿電壓-電流特性

在一定的IZ范圍內(nèi)(可以從公布的曲線確定)，Rz可以認(rèn)為是線性的。隨著電流的減小，特性接近曲線的“拐點(diǎn)”，Rz急劇增加。特意在“拐點(diǎn)電壓”上操作齊納二極管幾乎沒有意義，實(shí)際的拐點(diǎn)電壓取決于類型和電流，但很少小于幾百微安。因此，齊納二極管在微功率或高阻抗電路中用處不大。對于低電流的并聯(lián)穩(wěn)壓器應(yīng)用，基于寬帶隙基準(zhǔn)零件的電路(請參見第5.4.2節(jié))是可取的。

在典型的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路(圖4.9)中，電壓調(diào)節(jié)與Rz直接相關(guān)。顯然，Rz越低越好。斜率電阻在6.8V左右降至最低，并在更大或更小的電壓下明顯增加。較低電壓的齊納二極管的斜率電阻比中間范圍的電阻高得多(圖4.9)。低于5V和高于100V時，單個穩(wěn)壓二極管就顯示很差的穩(wěn)壓結(jié)果。因此，如果需要高壓齊納二極管，則可以通過串聯(lián)兩個或多個低壓器件來獲得所需的電壓，從而獲得更好的性能。

圖4.9：并聯(lián)穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)

圖：基本電壓基準(zhǔn)齊納二極管電路

提供參考電壓的簡單齊納二極管電路

最基本的齊納二極管電路由一個齊納二極管和一個電阻組成。齊納二極管提供參考電壓，但必須有一個串聯(lián)電阻來限制流入二極管的電流，否則大量電流會流過它并可能被破壞。

應(yīng)計(jì)算齊納二極管電路中的電阻值，以給出所用電源電壓所需的電流值。通常，大多數(shù)低功率引線齊納二極管的最大功耗為 400 mW。理想情況下，電路的耗散量應(yīng)小于該值的一半，但要正確運(yùn)行，流入齊納二極管的電流不應(yīng)低于約 5 mA，否則它們不能正確調(diào)節(jié)。

圖：基本電壓基準(zhǔn)齊納二極管電路

電路設(shè)計(jì)實(shí)例

以齊納二極管電路用于從 12V的輸入電壓供應(yīng)消耗2mA的穩(wěn)壓 5.1V軌的情況為例。以下簡單步驟可用于計(jì)算所需的電阻：

計(jì)算串聯(lián)電阻兩端的電壓差

12 - 5.1 = 6.9V

確定電阻電流。選擇這個為 15 mA。對于負(fù)載電流的某些變化，這將允許在最小齊納二極管電流之上有足夠的余量。

檢查齊納二極管的功耗。在 15 mA 的電流和功耗上的電壓為：

15 mA x 5.1 V = 76.5 mW

這正好在二極管的最大限制范圍內(nèi)

確定通過串聯(lián)電阻的電流。這是齊納二極管的 15 mA 加上負(fù)載的 2 mA，即 17 mA。

確定串聯(lián)電阻的值。使用歐姆定律，這可以從其兩端的電壓降和通過它的總電流計(jì)算得出：

6.9 / 17 mA = 0.405 kΩ

最接近的值為 390 Ω

確定串聯(lián)電阻的功率。這可以使用通過電阻器的電流值和之前計(jì)算的電阻器兩端的電壓來確定：

V x I = 6.9V x 17mA = 117mW

電阻器需要能夠散發(fā)這種水平的熱量。四分之一瓦的電阻器應(yīng)該足夠了。

這種簡單的齊納二極管電路被廣泛用作提供電壓基準(zhǔn)的簡單方法。

漏電流

在拐點(diǎn)下方，當(dāng)反向電壓不足以擊穿時，仍有一些電流流通。這是由于以與傳統(tǒng)二極管相同的方式且具有相同的溫度依賴性而引起的泄漏電流。通常規(guī)定齊納二極管在低于擊穿電壓的某個電壓下的泄漏量要少20％至30％。當(dāng)將齊納管用作鉗位器時，這是一個重要的限制，即零件的正常工作電壓小于擊穿電壓。典型的應(yīng)用是保護(hù)電路輸入免受瞬態(tài)或連續(xù)過電壓的影響，對電路輸入端瞬變或過壓的保護(hù)。。

溫度系數(shù)

像所有零件一樣，齊納二極管的擊穿電壓也具有溫度系數(shù)。但是齊納溫度系數(shù)比平常要微小得多。實(shí)際上，硅有兩種反向擊穿機(jī)制。在低電壓和非常薄的結(jié)勢壘時，電子隧道是主要機(jī)制，而在較高電壓和較厚勢壘時，雪崩擊穿是主要機(jī)理。根據(jù)所需的電壓，一種機(jī)制或另一種機(jī)制將占主導(dǎo)地位，并且交越點(diǎn)約為5V。實(shí)際意義是兩種機(jī)制的溫度系數(shù)相反。它們也是斜率電阻急劇變化的原因。最小溫度系數(shù)的最佳齊納電壓在4.7V至5.6V之間，并且在可以選擇調(diào)節(jié)電壓的情況下，如果溫度系數(shù)很重要，則最好選擇這些區(qū)間值。

圖4.10中顯示的曲線圖說明了BZX79系列齊納二極管的溫度系數(shù)和斜率電阻變化。由于這些特性取決于齊納效應(yīng)的基本物理原理，因此其它制造商的產(chǎn)品將表現(xiàn)出相似的性能。

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圖4.10：BZX79系列的齊納斜率電阻和溫度系數(shù)-齊納電壓（可換ONSEMI）

精密齊納管

該過程的另一個有趣的現(xiàn)象是，擊穿電壓約為5.6~5.9V的零件的溫度系數(shù)約為2mV/℃，這平衡了常規(guī)正向偏置硅結(jié)的溫度系數(shù)。通過將兩者串聯(lián)，可以創(chuàng)建一個溫度系數(shù)幾乎為零的齊納二極管，其有效擊穿電壓在6.2V至6.4V之間(正向電壓加反向電壓)。這些零件可以作為“精密參考二極管”(1N821系列是最常見的示例)，其溫度系數(shù)和公差經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)整，可用作電壓基準(zhǔn)。它們很昂貴，性能與價(jià)格成正比。通過將兩個7.5V齊納管串聯(lián)，可以在8.4V左右獲得類似的效果，該齊納管的正溫度系數(shù)為4mV/℃。這些零件在性能和價(jià)格方面直接與帶隙基準(zhǔn)源的集成電路競爭。通常，由于其較低的斜率電阻，較低的工作電流和更可調(diào)節(jié)的電壓，所以能帶隙基準(zhǔn)源勝出。

齊納噪聲

從電氣上來講，齊納擊穿的另一個特征是它是一個電子噪聲。實(shí)際上，以恒定電流工作，交流耦合和放大的齊納二極管是寬帶白噪聲的良好來源，可用于校準(zhǔn)和測量目的。齊納二極管通常沒有噪聲輸出的特征，因此很難在其上進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)，但是可以通過單個偏置來使用。噪聲在穩(wěn)壓器應(yīng)用中通常不是問題，因?yàn)樗戎绷鼾R納電壓低許多個數(shù)量級，并且可以通過添加并聯(lián)去耦電容器來消除。如果由于無意或由于需要快速響應(yīng)而省略了電容器，則齊納噪聲對于精密基準(zhǔn)而言可能就顯得很明顯和不能忽視。

汽車電子設(shè)計(jì)專欄介紹

汽車電子工程知識體系簡介

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審核編輯：湯梓紅