齊納二極管是使電壓穩定至最佳的元器件

齊納二極管在正向偏置時(shí)的行為類(lèi)似于具有PN結的普通硅二極管，允許電流從陽(yáng)極流向陰極。但在反向偏置時(shí)，齊納二極管不同于普通二極管阻止電流流動(dòng)，而是在達到一定反向電壓閾值時(shí)，開(kāi)始導通，允許反向電流流過(guò)。

當施加到齊納二極管的反向電壓超過(guò)其典型極限閾值時(shí)，在半導體耗盡區會(huì )發(fā)生稱(chēng)為雪崩擊穿的過(guò)程，隨后二極管會(huì )產(chǎn)生電流來(lái)限制電壓的升高。在此過(guò)程中，電荷通過(guò)自由電子與相鄰原子的碰撞而產(chǎn)生，并因此產(chǎn)生熱量，有可能對器件造成不可逆轉的損壞。

但是，如果二極管的耗盡區非常薄且高摻雜，則可能由于結中產(chǎn)生的高強度電場(chǎng)而生成反向電流。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為齊納擊穿（如圖1所示），它是可逆的，而且不會(huì )損壞二極管。圖中的水平軸上，齊納二極管電壓變得穩定的點(diǎn)稱(chēng)為齊納電壓（VZ），其值可以在幾伏至幾百伏之間。在摻雜和二極管制造過(guò)程中，可以小心地控制導通曲線(xiàn)的斜率和觸發(fā)該過(guò)程的最小反向電流值，使公差小于1%。

圖1：齊納二極管的典型I-V特性

齊納穩壓器

齊納二極管所具有的電壓穩定水平（電源）比橋式整流電路和濾波電容器要高得多。尤其當半導體摻雜濃度恰當時(shí)，甚至可以實(shí)現齊納擊穿曲線(xiàn)（如圖1）的斜率垂直，從而獲得穩定的電壓；隨著(zhù)輸入電壓的變化，波紋幾乎可以忽略不計。

圖2顯示了最簡(jiǎn)單的齊納穩壓器原理圖。這里采用了VZ= 12 V的齊納二極管；串聯(lián)電阻R的值可通過(guò)圖中所示的公式確定，其中Vi是輸入電壓，Vo是穩定的輸出電壓（12 V），IL是負載吸收的電流。

圖2： 齊納二極管穩壓器

空載時(shí)，IL= 0，電路中的所有電流都將流過(guò)齊納二極管，從而耗散最大功率。因此，必須按照指示謹慎選擇串聯(lián)電阻的值，以免超過(guò)空載時(shí)齊納二極管能承受的最大功率。該電路能夠產(chǎn)生幾十毫安的電流，通常用于極化晶體管的基極，或作為運算放大器的輸入，以獲得較高的電流值。圖3顯示了能夠擴大負載吸收功率的晶體管并聯(lián)調節器。輸出電壓VO由下式給出：VO = VZ + VBE。

圖3：帶有齊納二極管和晶體管的并聯(lián)調節器

標準齊納電壓

市場(chǎng)上常見(jiàn)的齊納二極管電壓范圍從剛好1 V到幾百伏。每個(gè)電壓值通常都有一個(gè)或多個(gè)功率值，從略低于0.5 W到5W以上。最常見(jiàn)的齊納二極管產(chǎn)品是小信號系列BZX55，其VZ電壓在2.4 V至75 V之間，最大功率為500 mW。齊納功率二極管BZX85系列也得到廣泛應用，其VZ電壓在2.7 V至100 V之間，最大功率為1300 mW。

帶齊納二極管的串聯(lián)穩壓器

圖4為最簡(jiǎn)單的齊納二極管串聯(lián)穩壓器示例。其中晶體管作為電壓跟隨器，輸出電壓比齊納電壓低約0.6至0.7V。電阻R的大小必須經(jīng)過(guò)精確調整，使齊納二極管能正確極化，并且Q1的基極電流足以使其導通。為了防止齊納二極管上的電流值下降至與齊納效應不兼容，可以用達林頓晶體管代替低功率晶體管2N2222。

圖4：帶齊納二極管和晶體管的串聯(lián)穩壓器

接下來(lái)，我們看下齊納二極管的一些工作流程。

與典型的二極管一樣，齊納二極管看起來(lái)像一個(gè)小圓柱體，兩端的兩個(gè)端子用于連接或焊接到電路上。它是一個(gè)極化組件，具有一個(gè)陽(yáng)極（正）和一個(gè)陰極（負）。

齊納二極管管體上靠近陰極或負極端子的位置通常印有色帶。當然，在電子原理圖中，齊納二極管也必須與普通二極管不同。它的符號與二極管非常相似，但為了區分它們，增加了兩條細線(xiàn)。齊納二極管主要使用的軟件為L(cháng)Tspice。它是一款高性能SPICE仿真軟件、原理圖捕獲和波形查看器，具有簡(jiǎn)化模擬電路仿真的增強功能和模型。LTspice可以從Analog Devices官網(wǎng)免費下載。

齊納二極管

齊納二極管如果直接極化會(huì )導通，跟普通二極管一樣。但與普通二極管不同的是，反極化時(shí)齊納二極管也會(huì )導通，但僅在超過(guò)電壓閾值（Vz）時(shí)才會(huì )導通。

在電路中，它被反極化，以利用其超過(guò)一定電壓值才導通的特性。齊納二極管的這種特性讓所有執行某項特定功能的情況都可以采用它?，F在我們來(lái)熟悉一下齊納二極管的一般工作原理。圖5所示為半導體（12 V的EDZV12B）被直接極化的簡(jiǎn)單電路原理圖。在0 V至20 V之間對DC類(lèi)型進(jìn)行的仿真顯示出電阻R1上的輸出電壓取決于電池電壓。主曲線(xiàn)圖和曲線(xiàn)圖a證實(shí)了陰極和陽(yáng)極之間的恒定壓差約為0.833 V（結電壓）。當陽(yáng)極上的電壓大于0.8 V時(shí)，壓差開(kāi)始恒定（圖表b）。

圖5：正向模式下的齊納仿真

圖6所示為半導體（同樣是12 V的EDZV12B）被反極化的簡(jiǎn)單電路原理圖。在0 V至20 V之間對DC類(lèi)型進(jìn)行的仿真顯示出電阻R1上的輸出電壓取決于電池電壓。當然，在這種模式下，普通二極管不會(huì )導電。但對于齊納二極管，如果反向電壓超過(guò)某個(gè)閾值（這里為12 V），它將開(kāi)始導電。例如，如果電池電壓為18 V，則電阻上的電壓為6 V（18–12）。

圖6：反向模式下的齊納仿真

齊納二極管做穩壓器

我們知道，反極化的齊納二極管導通時(shí)涉及一個(gè)固定電壓Vz。例如，如果一個(gè)12V齊納二極管上的電壓是始終為12V，與電源電壓無(wú)關(guān)，則可以將齊納二極管用作穩壓器。這是齊納二極管的主要用途之一，即作為具有固定電壓值的穩壓器，固定電壓可用于需要固定參考電壓和為固定電源電壓供電的電路。圖7中采用了相同電壓的齊納二極管產(chǎn)生12V電源，非常完美地體現了齊納二極管如何用作穩壓器。該二極管前面有一個(gè)電阻用于限制電流，其阻值通過(guò)精確計算得出。從圖中可以看出，當電池電壓超過(guò)12 V時(shí)，電源開(kāi)始工作。對于較低的電池電壓，二極管的結壓差始終為0.8V。

圖7：齊納二極管用作穩壓器的一般原理圖

圖8中的圖表顯示了R1和D1上的電流隨電池輸入電壓變化的情況（右側為比例尺）。設計人員必須始終精確計算這些值，即使在最壞情況下也需要。實(shí)際上，齊納二極管是適用于低電流的小型元器件。

圖8：R1和D1上的電流

結論

齊納二極管是使電壓穩定至最佳的元器件?？上У氖?，它無(wú)法提供大電流，但在為后續功率級提供精確電壓基準時(shí)非常有用。所有電路均是通過(guò)精確的數學(xué)公式來(lái)調整的，齊納二極管的應用條件計算也遵循這個(gè)規則。

（參考原文：Power Supply Design Notes： Zener Diode Voltage Regulator & Power Supply Design Notes： Simulating a Zener Diode ）