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用了50年,齐纳二极管为什么依然“宝刀未老”?​

2019-8-1 11:12:13 显示全部楼层
齐纳二极管作为电压基准和稳压器在电路设计中被采用,已有半个多世纪的历史。本文回顾了齐纳二极管的发展历史,说明了齐纳二极管的的工作原理,并对齐纳二极管的应用进行了详细的介绍,帮助读者全面深入了解齐纳二极管这种体积小巧、价格低廉的低电流电源的稳压器。
电路设计人员使用齐纳二极管作为电压基准和稳压器已有半个多世纪。我在1970年读高三时,首次使用齐纳二极管为一个科技节项目设计电源。该项目是一个基于红外LED、光电晶体管和塑料光纤电缆的光纤光通信系统。当时还是光纤通信和光电子的早期阶段,因此这个科技节项目有幸成为获奖项目之一。
这个光通信系统设计采用了RTL数字逻辑,但不是现今所指的“寄存器传送级”概念。现今的RTL用于ASIC、SoC、FPGA和CPLD中的逻辑设计,而在20 世纪中期,“RTL”是“电阻器晶体管逻辑”的缩写,这是第一个真正的逻辑IC系列。
RTL(逻辑系列)最初是为美国导弹和航空航天应用而开发的。它被选为构建阿波罗导航计算机 (AGC) 的首选逻辑系列,AGC使用一种电传操纵系统来控制航天器的主发动机和姿态推进器。阿波罗和AGC电传操纵系统是第一个取代机械或液压操纵的此类系统。从1968年到1972年,AGC将阿波罗任务8号、10号、11号、12号、13号、14号、15号、16号和17号送至月球,然后安全返回地球。当然,阿波罗任务8号和10号实际上并未登陆月球,但它们确实完成了任务并且安全返回。
AGC的设计使用了数以千计的RTL IC,而我在科技节项目中使用了同样的尖端电子元件,令人十分激动。毕竟,在我设计这个项目时,阿波罗计划仍然在积极的开展中。
这些旧的RTLIC需要3.6V稳压电源。今天,像Texas Instruments LM317这样的可调三端子稳压器可能是简单线性电源设计的首选,但在那时,三端子稳压器刚刚在一年之前发明出来,尚未普及,而LM317直到1976年才被设计出来。当时线性稳压电源电路的首选是基于齐纳二极管,所以我的科技节项目使用的正是这种元件。
我的设计采用了Motorola Semiconductor的多个齐纳二极管,结合一些大的传输晶体管一起产生三个稳定的供电电压,包括用于RTL IC的3.6V供电电压。ON Semiconductor继承了MotorolaSemiconductor的所有齐纳二极管并仍在销售,另有许多采用表面贴装封装的新产品。ONSemiconductor甚至延续使用Motorola Semiconductor的旧版齐纳二极管手册,该手册以PDF格式提供(参见参考资料1)。
认识齐纳二极管
当正向偏置时,齐纳二极管的工作方式与任何其他二极管相同。不同之处在于其反向偏置条件。当反向偏置电压较低时,齐纳二极管不传导电流。普通半导体二极管也是如此。然而,一旦齐纳二极管两端的反向偏置电压达到齐纳电压或击穿电压,二极管就会“击穿”并流过电流。
齐纳二极管的电流/电压曲线(见图1)表明:在反向偏置齐纳区中,满足所需的最小齐纳电流 (IZT) 之后,无论反向偏置电流如何,器件上的电压几乎都保持恒定。换言之,在较宽范围的反向偏置条件下,齐纳二极管会提供稳定且已知的基准电压。
图1:对于正向偏置电压,齐纳二极管的电流/电压曲线显示正常的二极管行为(曲线的右半部分),但当反向偏置电压等于或大于齐纳电压时,二极管表现出击穿行为(曲线的左半部分)。(图片来源:ON Semiconductor)       
即使在今天,也就是我在科技节项目中使用齐纳二极管差不多50年后,齐纳二极管仍是非常好的电压基准,具有体积小巧、价格低廉的优点,可用作低电流电源的稳压器,甚至可在背靠背接线情况下用作信号电压箝位电路。齐纳二极管以克拉伦斯·梅尔文·齐纳 (Clarence Melvin Zener) 命名,他是第一个预言电压击穿效应的人,此效应后来在1934年发表的一篇论文中以其名字命名。过了很久,威廉·肖克利才在1950年左右在贝尔实验室制造的早期半导体二极管中注意到所预言的效应。肖克利将这些器件称为“齐纳二极管”,以纪念击穿效应预言者。
如图2所示,在齐纳二极管的原理图符号中,阴极侧有两个翼,因此很容易识别。您可以将齐纳二极管原理图符号中的翼型阴极侧视为二极管击穿特性曲线的抽象表示,或者视为代表“Zener”的字母“Z”。(个人看法,仅供参考)
图2:齐纳二极管原理图符号上的阴极侧表示器件的击穿特性,或者看起来像代表“Zener”的字母“Z”,这取决于您的看法。(图片来源:ON Semiconductor)
齐纳二极管的一个重要特性是,当反向偏置并输入足够的电流(通常为几毫安)以启动和维持齐纳效应时,器件本身就会维持几乎恒定的电压。这个几乎恒定的电压可用作稳定的基准电压。齐纳二极管提供各种各样的固定电压。快速浏览Digi-Key的齐纳二极管页面,可以发现齐纳二极管的型号超过2,988种(均来自ON Semiconductor),齐纳击穿电压则有150多种,范围为1.2V至200V。从技术上讲,反向击穿电压大于5.5V左右的任何齐纳二极管都是雪崩二极管,但齐纳二极管和雪崩二极管均有类似的反向击穿效应,允许这些器件用作电压基准,因此二者通常都归于“齐纳二极管”的名下。        齐纳二极管击穿电压的范围非常宽。基本上以0.1V为步长,从1.2V到7V的击穿电压应有尽有,因此当使用齐纳二极管产生特定基准电压时,需要调整的可能性较小。
齐纳二极管的应用
使用齐纳二极管作为电压基准或稳压器的关键是确保其接收到足够的电流,通常在几毫安左右,以在反向偏置时维持齐纳效应。这是利用适当大小的串联电阻器来实现的(图3)。电阻值和功率取决于Vin和Vref的值。
图3:简单的齐纳电压基准或稳压器采用适当的电阻器来为齐纳二极管提供足够的电流以维持齐纳效应。(图片来源:ON Semiconductor)
该原理图可视作齐纳电压基准或低电流电源的齐纳稳压器。齐纳二极管可用作廉价稳压器,尤其适合用于恒定的低电流负载。如果负载变化,流过齐纳二极管的电流也会变化。齐纳二极管必须吸收负载不使用的任何电流。这很重要,因为如果负载电流降至零,齐纳二极管必须能够处理流过串联电阻器的全部电流。
齐纳二极管必须消耗的最大功率等于流过齐纳二极管的电流乘以齐纳电压。对于恒流负载,串联电阻器的大小应使得仅有启动和维持齐纳击穿效应所需的电流流过二极管。其余的电流应流过负载。如果负载电流可能降至零,则零负载时流过齐纳二极管的电流乘以齐纳电压即为齐纳二极管必须能够消耗的绝对最小功率。像往常一样,齐纳二极管的功率额定值应留有一些裕量,以免在负载电流变化的应用中发生过热。
有关详细应用信息以及计算给定齐纳二极管应用的适当电阻值所需的公式,请参考之前提到的ON Semiconductor齐纳二极管手册。
低电流电路的电压基准
维持齐纳击穿效应所需的电流大约在几毫安,这对于低电流电路可能是一个问题。此类应用现在可以使用工作电流非常小的双端子电压基准(也称为带隙基准)。
例如,Texas Instruments LM4040精密微功耗并联电压基准的最小阴极电流小于80微安 (μA),可提供2.048V、2.5V、3V、4.096V、5V、8.192V和10V的固定基准电压,出厂调校的电压容差范围为0.1%至1%。
在应用中,这些电压基准的电路设计与齐纳二极管相同,如图3所示。LM4040电压基准上的两个有源端子称为阳极和阴极,就像该器件是二极管一样。然而,LM4040显然不是二极管,这可以从其原理图看出(图4)。
图4:LM4040电压基准的内部原理图表明其远非一个简单的二极管。(图片来源:Texas Instruments)
总 结
尽管器件已经存在很长时间,但并不会因此意味着它不再有用。器件供应商制造齐纳二极管已经超过六十年,但齐纳二极管仍在变强,履行着它们一直以来的使命。我已经有所改变,我的角色也发生了变化,但我仍在变强(谢天谢地)。
如果您需要低工作电流的电压基准,务必也考虑一下双端子电压基准。
(参考资料:ON Semiconductor - Zener Theory and Design Considerations)
本文作者
Steve Leibson是HP和Cadnetix的系统工程师、《EDN》和《Microprocessor Report》杂志主编以及Xilinx和Cadence的技术博主,并担任过两集“The Next Wave with Leonard Nimoy”的技术专家。33年来,他一直致力于帮助设计工程师们开发出更好、更快、更可靠的系统。
来源:digikey

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