眾所周知，二極管是一種由PN結制成的半導體。當正電壓連接到陽極和負陰極時，二極管被稱為正向偏置。只要施加的電壓大于結電壓，通常為0.7V，電流就會流過二極管。
但是如果電壓施加在相反的方向呢?在負偏壓下，只要兩端電壓不超過擊穿電壓，二極管就會處于非導通狀態。在這種狀態下，二極管就像一個開路，因為反向偏置的PN結阻止電子流過。
鉗位二極管就是在電路中應用這兩種特性來操縱輸入電壓的地方，所以鉗位二極管可以用作電平轉換器，也可以用來保護組件免受瞬態電壓的影響。
鉗位二極管的概念
鉗位表示限制電路中的電壓，而鉗位二極管是用于限制電路中某一點的電位的二極管。
通常情況下，連接到鉗位二極管一端的電位必須為恒壓，即假定該端電位不變，作為參考電位端。另一端為鉗位端，其電位發生變化，是需要限制的一端。二極管的鉗位作用將鉗位端的電位強制到參考端，稱為鉗位。
鉗位與穩壓的區別是：鉗位是限制某一點的電位，使其不大于或不小于參考端的值，該點的電位是可變的，它是利用二極管的正導通特性進行鉗位。穩壓就是將某一點的電位穩定在一個恒定值，電位是不變的，就是利用二極管的反向擊穿特性來穩定電壓。
鉗位二極管的工作原理
在電路中，鉗位是指將電壓控制在固定電壓范圍內，二極管的特點是單向導通。當它正向開啟時，它有一個固定的電壓降。
齊納二極管的特點是反向擊穿，正向導通的二極管和反向擊穿的齊納二極管都可以用于鉗位電路的設計，用于鉗位電路的二極管稱為鉗位二極管，不同的鉗位應用使用不同的二極管。
齊納二極管用作鉗位二極管
在過壓保護電路中，可以設計一個帶有齊納二極管的鉗位電路。
在下圖所示的12V過壓保護電路中，使用了一個12V穩壓二極管進行鉗位。當輸入電壓小于等于12V時，PNP晶體管Q2截止，PMOS(Q3)管導通，VCC獲得正常供電。當輸入電壓升至12.5V或以上時，由于12V穩壓二極管的鉗位，PNP晶體管的基極將電壓控制在12V，Q2將開始導通，導致PMOS(Q3)關斷， VCC電源停止。
肖特基二極管用作鉗位二極管
增加鉗位二極管可以保護單片機的輸入和輸出端口，如下圖所示，增加了兩個肖特基二極管作為鉗位二極管，可以有效防止GPIO被靜電擊穿。當電壓大于VDD時，D1導通，靜電通過D1釋放到VDD;當電壓小于GND時，D2導通，靜電通過D2釋放到GND。由于需要快速釋放靜電，一般選擇肖特基二極管或快速開關二極管作為鉗位二極管。
鉗位二極管保護原理分析
鉗位二極管其實就是TVS管，是瞬態抑制二極管的簡稱。它是在穩壓二極管的基礎上發展起來的，穩壓二極管是一種新型的二極管形式的高性能保護器件，即限壓過壓保護器件。
TVS通常采用二極管型軸向引線封裝結構，也有SMD，TVS的核心單元是芯片，芯片有單極型和雙極型兩種結構，單極TVS有一個PN結，雙極TVS有兩個PN結。單極型僅針對一個方向的浪涌電壓沖擊提供保護。
瞬態二極管可防止相反極性的浪涌電壓沖擊，相當于兩個反向串聯的穩壓器，其突出特點是擊穿電壓低、響應時間幾十ps、漏電流小、瞬態功率大、無噪聲等，因此在信號系統中得到了廣泛的應用和認可。
下面我們來看看下面兩個二極管是如何反向串聯工作的。如圖d1和d2所示，兩個二極管反向串聯，屬于鉗位保護電路，還有就是利用這個鉗位取零信號，在鉗位電路中，二極管負極接地，正端電路被鉗位在零電位以下;工作時只能有一個二極管導通，另一個處于截止狀態，那么它的正向和反向壓降會被鉗位到二極管導通壓降0.5-0.7(加上導通壓降就是這個)下，從而起到保護電路的目的。
下圖為TVS管的電壓-電流特性。在浪涌電壓的作用下，當TVS管兩極間電壓從額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR時，TVS管兩極間電壓被擊穿，擊穿電流發生，所以流過TVS管的電流會達到峰值脈沖電流IPP，兩端電壓也被鉗位在預定的最大鉗位電壓VC以下。隨后，隨著脈沖電流呈指數衰減，TVS管兩極電壓不斷下降，最終回到初始狀態，這就是TVS管抑制浪涌電流脈沖功率，保護電子器件的原理。
二極管鉗位電路
二極管鉗位電路是根據二極管在正向導通時壓降比較穩定、值較小的特性，設計用來限制電路中某一點的電位，使周期性變化波形的頂部或底部保持在一個一定的直流電平。按照不同的設計，二極管鉗位電路可以分為多個類型。
1、正二極管鉗位電路
在這個二極管限制電路中，在正弦輸入波形的正半周期間，二極管正向偏置。要使二極管正向偏置，它的輸入電壓幅度必須大于+0.7伏(鍺二極管為0.3伏)。
發生這種情況時，二極管開始導通并將電壓本身保持在 0.7V不變，直到正弦波形低于該值。因此，二極管上獲得的輸出電壓在正半周期間不超過0.7伏。
在負半周期期間，二極管反向偏置以防止電流流過自身，因此對正常電壓的負半部分沒有影響，正常電壓的負半部分不變地傳遞給負載。因此，二極管限制輸入波形的正半部分，稱為正二極管鉗位電路。
2、負二極管鉗位電路
這個是相反的，二極管在正弦波形的負半周期正向偏置并將其限制在-0.7伏，同時允許正半周期在反向偏置時保持不變。由于二極管限制輸入電壓的負半周，故稱為負二極管鉗位電路。
3、兩個半周期鉗位電路
如果將下圖的兩個二極管反向并聯，那么正負半周期將被截斷。二極管D1截斷正弦輸入波形的正半周，二極管D2截斷負半周。然后可以使用二極管鉗位電路來限制正半周期、負半周期或兩者。
對于理想二極管，上面的輸出波形將為零。然而，由于二極管上的正向偏置電壓降，實際的削波點分別出現在+0.7伏和-0.7伏。但是我們可以通過串聯更多二極管，直到正弦波形的最大值 (V PEAK) 產生 0.7 伏的倍數，或者通過向二極管添加電壓偏置，將這個±0.7V的閾值增加到我們想要的任何值。
4、偏置二極管鉗位電路
針對不同電平的電壓波形產生二極管鉗位電路，將偏置電壓VBIAS和二極管串聯起來，形成一個組合限幅器。在二極管完全正向偏置之前，串聯組合兩端的電壓必須大于0.7V的VBIAS +。例如，如果VBIAS電平設置為4.0 伏，則二極管陽極的正弦電壓必須大于4.0 + 0.7 = 4.7伏，因為它會產生偏置。任何高于該偏置點的陽極電壓電平都會被截斷。
類似地，通過反轉二極管和電池偏置電壓，當二極管導通時，輸出波形的負半周期保持在-V BIAS -0.7V，如下圖所示：
5、負偏置二極管鉗位電路
可變二極管限幅或二極管可以通過改變二極管的偏置電壓來實現限制電平。如果要鉗位正負半周期，請使用兩個偏置限制二極管。然而，對于正負二極管鉗位，偏置電壓不必相同。正偏壓可以是一個電平，例如4伏，負偏壓可以是另一個電平，例如6伏，如下圖所示：
6、用于不同偏置電平的二極管鉗位
當正半周電壓達到+4.7 V時，二極管D1導通并將波形限制在+4.7V。二極管D2直到電壓達到-6.7V才導通。因此，所有高于+4.7 V的正電壓和低于-6.7 V的負電壓會自動降低。
偏置二極管鉗位電路的優點是它可以防止輸出信號在輸入波形的兩個半周期內超過預設電壓限制，輸入波形可能是正負電源軌，輸入來自嘈雜的傳感器或電源。如果二極管限制電平設置得太低或輸入波形太大，消除兩個波形峰值可能會結束方波d。
7、齊納二極管鉗位電路
使用偏置電壓意味著可以精確控制截斷電壓波形的量。但使用電壓偏置二極管鉗位電路的主要缺點之一是它們需要額外的EMF電池源，當然這可能也不是問題的問題。
創建偏置二極管鉗位電路而不需要額外電動勢的一種簡單方法是使用齊納二極管。
眾所周知，齊納二極管是另一種在其反向偏置擊穿區域工作的特殊二極管，因此可用于電壓調節或齊納二極管限制應用。在正向區域，齊納二極管就像一個普通的硅二極管，正向壓降為0.7V (700mV)，同上。
然而，在反向偏置區域，電壓被阻斷，直到達到齊納二極管擊穿電壓。此時，通過齊納二極管的反向電流急劇增加，但器件兩端的齊納電壓VZ保持不變，即使齊納電流IZ發生變化。
這樣就可以通過使用它們來切割波形，使這個齊納動作很好地工作，如下圖所示：
齊納二極管的作用類似于偏置二極管鉗位電路，其偏置電壓等于齊納擊穿電壓。在該電路中，在波形的正半周期內，齊納二極管反向偏置，因此波形被鉗位在齊納電壓V ZD1 上。在負半周期內，齊納管就像一個正常的二極管，具有通常的0.7V結值。
另外，還可以通過使用齊納二極管反向電壓特性來進一步拓展這個想法，以便將波形的兩半用于有限串聯背靠背齊納二極管，如下圖所示(全波齊納二極管鉗位)：
全波齊納二極管鉗位電路的輸出波形與之前的電壓偏置二極管鉗位電路類似。穩壓二極管制造有多種電壓，可用于在每個半周期內給出不同的電壓基準，同上。齊納二極管的齊納擊穿電壓范圍為2.4至33 伏，典型容差為1%或5%。注意一旦在反向擊穿區開啟，全電流將流過穩壓二極管，因此必須選擇合適的限流電阻R1。
使用鉗位二極管的瞬態保護
鉗位二極管不僅僅是為了改變電壓基線，它們在緩解瞬態事件方面非常有用，尤其是ESD和浪涌電流。例如，當輸入電壓高于Vh時，D1正向偏置。因此，過多的電流流過D1而不是負載。限流電阻器通常放置在二極管之前，以確保后者在限制范圍內工作。
當輸入電壓降至VL以下時也是如此，這將激活D2。通過將過多的電流從負載中引開并保持電壓低于Vh，二極管有助于防止瞬態電壓損壞組件。
通常情況下，選擇具有較大電流處理能力、低結電壓和快速導通時間的二極管用于ESD或浪涌保護。限流電阻器還必須能夠在大量電流通過時禁用大量熱量。
當然，無論是設計電平轉換器還是瞬態保護，它都有助于使用強大的PCB設計和分析軟件套件來模擬相應的參數，例如可以使用OrCAD PCB Designer來布局電路設計需求。