初级模拟电路：1-8 齐纳二极管

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      齐纳二极管（Zener diode）又叫稳压二极管，也是一种特殊用途二极管，但由于齐纳二极管的是如此之重要，内容又比较多，所以这里单独拉出来作为一个小节讲。其电路符号如下图所示：

图 1-8.01 

1.   特性简介

      在前面1-2节介绍反向击穿的时候，已经讲过齐纳击穿的原理，当二极管反向齐纳击穿时，电流会急剧变化，而电压几乎保持不变。如下图所示：

图 1-8.02 

      齐纳二极管可以工作在反向齐纳击穿区域而不造成永久损坏，半导体制造厂商通过精细地控制掺杂浓度来设置反向击穿电压。一般齐纳二极管的反向击穿电压从1.8V~200V不等，额定功率从1/4W~50W不等。

      虽然齐纳二极管又被称为“稳压二极管”，但是齐纳二极管的反向击穿伏安曲线并不是理想的垂直线，而是有一个轻微的倾斜，所以，它既没有集成稳压器（如7805）那么平稳的波动抑制能力，也不能在大负载电流变化时使用。齐纳二极管只能在小电流应用且对精度要求不高的情况下，作为一种低成本的稳压手段使用。其典型稳压应用电路如下图所示：

图 1-8.03 

      当输入电压正常时，齐纳二极管V_Z 截止，不影响系统正常供电。当输入电压突然过高时，齐纳二极管V _Z 导通，此时流过齐纳二极管的电流急剧增加，增加的电流使电阻R承担更多的压降，从而使得系统的电压稳定在齐纳电压值附近。下面的二极管D是用来防止输入电压接反的。上图只是比较简单的用法，当齐纳二极管和晶体管或运放等器件组合使用时，可以构建出比较好的稳压器，这个后面我们以后分析专用电路的时候再讲。

2.   齐纳性能参数

      齐纳二极管在正偏时，各性能参数基本同普通二极管，但在反偏时，比普通二极管多了很多描述参数。下面我们以摩托罗拉公司（飞思卡尔的前身）生产的的齐纳二极管的datasheet为例，来解读齐纳性能参数。

      点此链接阅读和下载数据规格书。

（1） 产品特点

图 1-8.04 

      上图中我用红色标注了几个重点：

      ● 此规格书涵盖了从1N5333B~1N5388B的几十种齐纳二极管的数据参数，稳压范围从3.3V~220V不等，所有型号的额定功率都是5W。

      ● 这个系列的所有齐纳二极管可以承受瞬间（8.3毫秒）的浪涌功率，其最大可承受功率达到180W。

（2） 性能参数

      所有性能参数都在规格书第2~3页的表格中予以列出，这里我们仅以第一行的1N5333B为例进行解读。

图 1-8.05 

      为了方便理解，我在每一个参数上都标了一个序号，我们将以这个序号为顺序，逐条解释每个参数的含义。在解读参数时，还需要同时对照下图，才能理解各个参数的含义。

图 1-8.06 

      ① 首先是I_ZM（齐纳最大电流），这是齐纳二级管能承受的最大反偏电流，当反偏电流大于这个值时，齐纳二极管可能会永久损坏。

      ② I_ZT（齐纳测试电流），T（test）的意思是测试，一般制造厂商会选取I_ZM的约1/4处作为测试电流。

      ③ V_Z（齐纳电压），这个就是最重要的指标：齐纳电压（Zener voltage）。从曲线上来看，齐纳击穿区域是有一个范围的，但制造商为方便起见，一般会将齐纳电压V_Z定义为在测试电流I_ZT时的电压。根据后面的Note 1的说明，这个值一般会有5%的误差。

      ④ I_ZK（齐纳拐点电流），K（knee）的意思是拐点，一般认为，从K点开始进入齐纳击穿区域，其实在到达K点时，反偏电流已经比较大了，只不过在K点后电流开始急剧增大。（数据规格书中将I_ZK定为1mA）。

      ⑤ & ⑥ V_R与I_R（反偏安全电压、反偏漏电流），当反偏电压小于V_R时，反偏漏电流I_R会维持一个很小的值（微安级）。注意I_R与I_ZK在数量级上的差别。

      ⑦ Z_ZT（在I_ZT时的动态电阻），规格书中把动态电阻称为齐纳阻抗（Zener impedance）。在T点处的伏安曲线的斜率非常陡峭，所以此动态电阻的值比较小，在表格中我们可以看到仅为3Ω。

      ⑧ Z_ZK（拐点动态电阻），这是在拐点K处的斜率，比T点处要平缓得多，所以此处动态电阻比较大，表格中为400Ω。

      ⑨ i_r（最大浪涌电流），这是齐纳二极管能承受的瞬间浪涌电流，表格中的数值高达20A。

      ⑩ ΔV_Z（稳压范围），这个在后面的Note 4解释了，为在I_ZM的10%处和I_ZM的50%处测得的2个齐纳电压的差值。

3.   设计案例

      现在我们来看如何根据上面的参数来选型和设计齐纳二极管电路：

案例1-8-1：已知负载R_L=1kΩ，v_i正常供电电压为12V，R_L的额定工作电压要求为12V，且最低至10V时也能工作，现设计稳压电路如下图所示。问题：（1）应该选择什么型号的齐纳二极管？（2）电阻R的取值应为多大？（3）这个电路可接受的供电电压v_i波动范围最大为多少？

      解：（1）对于12V的稳压要求，我们查数据手册，可选型1N5349B的齐纳二极管。其齐纳电流范围为： I_ZK=1mA，I_ZM=395mA。

      （2）在v_i较小时，齐纳二极管D_Z截止（可视为断路），电阻R会对R_L产生分压作用，由于v_i=12V，且V_RL最小要求为10V，则电阻R最大为：

      （3）当v_i升高时，V_RL也会升高，当V_RL大于12V时，齐纳二级管D_Z会导通，以使V_RL稳定在12V左右。前面我们已查手册知，1N5349B可允许的最大电流I_ZM=395mA，此时电阻R上的电流为D_Z与R_L中电流的总和：

      此时电路的总电压为：

      因此，这个电路最大能接受供电电压v_i上升到93.4V，而输出电压稳定在12V左右。但因为齐纳阻抗的影响，输出会在12V上下略有波动。

      v_i的能接受的最小输入电压为12V，如果再小，由于电阻R的分压作用，负载R_L上的电压就会低于10V，而导致系统停止工作。

     

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