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齊納二極管作為電壓基準(zhǔn)和穩(wěn)壓器在電路設(shè)計(jì)中被采用，已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。本文回顧了齊納二極管的發(fā)展歷史，說明了齊納二極管的的工作原理，并對(duì)齊納二極管的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，幫助讀者全面深入了解齊納二極管這種體積小巧、價(jià)格低廉的低電流電源的穩(wěn)壓器。 電路設(shè)計(jì)人員使用齊納二極管作為電壓基準(zhǔn)和穩(wěn)壓器已有半個(gè)多世紀(jì)。我在1970年讀高三時(shí)，首次使用齊納二極管為一個(gè)科技節(jié)項(xiàng)目設(shè)計(jì)電源。該項(xiàng)目是一個(gè)基于紅外LED、光電晶體管和塑料光纖電纜的光纖光通信系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)還是光纖通信和光電子的早期階段，因此這個(gè)科技節(jié)項(xiàng)目有幸成為獲獎(jiǎng)項(xiàng)目之一。 這個(gè)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了RTL數(shù)字邏輯，但不是現(xiàn)今所指的“寄存器傳送級(jí)”概念。現(xiàn)今的RTL用于ASIC、SoC、FPGA和CPLD中的邏輯設(shè)計(jì)，而在20 世紀(jì)中期，“RTL”是“電阻器晶體管邏輯”的縮寫，這是第一個(gè)真正的邏輯IC系列。 RTL（邏輯系列）最初是為美國導(dǎo)彈和航空航天應(yīng)用而開發(fā)的。它被選為構(gòu)建阿波羅導(dǎo)航計(jì)算機(jī) (AGC) 的首選邏輯系列，AGC使用一種電傳操縱系統(tǒng)來控制航天器的主發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)推進(jìn)器。阿波羅和AGC電傳操縱系統(tǒng)是第一個(gè)取代機(jī)械或液壓操縱的此類系統(tǒng)。從1968年到1972年，AGC將阿波羅任務(wù)8號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)和17號(hào)送至月球，然后安全返回地球。當(dāng)然，阿波羅任務(wù)8號(hào)和10號(hào)實(shí)際上并未登陸月球，但它們確實(shí)完成了任務(wù)并且安全返回。 AGC的設(shè)計(jì)使用了數(shù)以千計(jì)的RTL IC，而我在科技節(jié)項(xiàng)目中使用了同樣的尖端電子元件，令人十分激動(dòng)。畢竟，在我設(shè)計(jì)這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，阿波羅計(jì)劃仍然在積極的開展中。 這些舊的RTLIC需要3.6V穩(wěn)壓電源。今天，像Texas Instruments LM317這樣的可調(diào)三端子穩(wěn)壓器可能是簡單線性電源設(shè)計(jì)的首選，但在那時(shí)，三端子穩(wěn)壓器剛剛在一年之前發(fā)明出來，尚未普及，而LM317直到1976年才被設(shè)計(jì)出來。當(dāng)時(shí)線性穩(wěn)壓電源電路的首選是基于齊納二極管，所以我的科技節(jié)項(xiàng)目使用的正是這種元件。 我的設(shè)計(jì)采用了Motorola Semiconductor的多個(gè)齊納二極管，結(jié)合一些大的傳輸晶體管一起產(chǎn)生三個(gè)穩(wěn)定的供電電壓，包括用于RTL IC的3.6V供電電壓。ON Semiconductor繼承了MotorolaSemiconductor的所有齊納二極管并仍在銷售，另有許多采用表面貼裝封裝的新產(chǎn)品。ONSemiconductor甚至延續(xù)使用Motorola Semiconductor的舊版齊納二極管手冊(cè)，該手冊(cè)以PDF格式提供（參見參考資料1）。 認(rèn)識(shí)齊納二極管 當(dāng)正向偏置時(shí)，齊納二極管的工作方式與任何其他二極管相同。不同之處在于其反向偏置條件。當(dāng)反向偏置電壓較低時(shí)，齊納二極管不傳導(dǎo)電流。普通半導(dǎo)體二極管也是如此。然而，一旦齊納二極管兩端的反向偏置電壓達(dá)到齊納電壓或擊穿電壓，二極管就會(huì)“擊穿”并流過電流。 齊納二極管的電流/電壓曲線（見圖1）表明：在反向偏置齊納區(qū)中，滿足所需的最小齊納電流 (IZT) 之后，無論反向偏置電流如何，器件上的電壓幾乎都保持恒定。換言之，在較寬范圍的反向偏置條件下，齊納二極管會(huì)提供穩(wěn)定且已知的基準(zhǔn)電壓。  圖1：對(duì)于正向偏置電壓，齊納二極管的電流/電壓曲線顯示正常的二極管行為（曲線的右半部分），但當(dāng)反向偏置電壓等于或大于齊納電壓時(shí)，二極管表現(xiàn)出擊穿行為（曲線的左半部分）。（圖片來源：ON Semiconductor） 即使在今天，也就是我在科技節(jié)項(xiàng)目中使用齊納二極管差不多50年后，齊納二極管仍是非常好的電壓基準(zhǔn)，具有體積小巧、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，可用作低電流電源的穩(wěn)壓器，甚至可在背靠背接線情況下用作信號(hào)電壓箝位電路。齊納二極管以克拉倫斯·梅爾文·齊納 (Clarence Melvin Zener) 命名，他是第一個(gè)預(yù)言電壓擊穿效應(yīng)的人，此效應(yīng)后來在1934年發(fā)表的一篇論文中以其名字命名。過了很久，威廉·肖克利才在1950年左右在貝爾實(shí)驗(yàn)室制造的早期半導(dǎo)體二極管中注意到所預(yù)言的效應(yīng)。肖克利將這些器件稱為“齊納二極管”，以紀(jì)念擊穿效應(yīng)預(yù)言者。 如圖2所示，在齊納二極管的原理圖符號(hào)中，陰極側(cè)有兩個(gè)翼，因此很容易識(shí)別。您可以將齊納二極管原理圖符號(hào)中的翼型陰極側(cè)視為二極管擊穿特性曲線的抽象表示，或者視為代表“Zener”的字母“Z”。（個(gè)人看法，僅供參考）  圖2：齊納二極管原理圖符號(hào)上的陰極側(cè)表示器件的擊穿特性，或者看起來像代表“Zener”的字母“Z”，這取決于您的看法。（圖片來源：ON Semiconductor） 齊納二極管的一個(gè)重要特性是，當(dāng)反向偏置并輸入足夠的電流（通常為幾毫安）以啟動(dòng)和維持齊納效應(yīng)時(shí)，器件本身就會(huì)維持幾乎恒定的電壓。這個(gè)幾乎恒定的電壓可用作穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。齊納二極管提供各種各樣的固定電壓?？焖贋g覽Digi-Key的齊納二極管頁面，可以發(fā)現(xiàn)齊納二極管的型號(hào)超過2,988種（均來自O(shè)N Semiconductor），齊納擊穿電壓則有150多種，范圍為1.2V至200V。從技術(shù)上講，反向擊穿電壓大于5.5V左右的任何齊納二極管都是雪崩二極管，但齊納二極管和雪崩二極管均有類似的反向擊穿效應(yīng)，允許這些器件用作電壓基準(zhǔn)，因此二者通常都?xì)w于“齊納二極管”的名下。 齊納二極管擊穿電壓的范圍非常寬?；旧弦?.1V為步長，從1.2V到7V的擊穿電壓應(yīng)有盡有，因此當(dāng)使用齊納二極管產(chǎn)生特定基準(zhǔn)電壓時(shí)，需要調(diào)整的可能性較小。 齊納二極管的應(yīng)用 使用齊納二極管作為電壓基準(zhǔn)或穩(wěn)壓器的關(guān)鍵是確保其接收到足夠的電流，通常在幾毫安左右，以在反向偏置時(shí)維持齊納效應(yīng)。這是利用適當(dāng)大小的串聯(lián)電阻器來實(shí)現(xiàn)的（圖3）。電阻值和功率取決于Vin和Vref的值。  圖3：簡單的齊納電壓基準(zhǔn)或穩(wěn)壓器采用適當(dāng)?shù)碾娮杵鱽頌辇R納二極管提供足夠的電流以維持齊納效應(yīng)。（圖片來源：ON Semiconductor） 該原理圖可視作齊納電壓基準(zhǔn)或低電流電源的齊納穩(wěn)壓器。齊納二極管可用作廉價(jià)穩(wěn)壓器，尤其適合用于恒定的低電流負(fù)載。如果負(fù)載變化，流過齊納二極管的電流也會(huì)變化。齊納二極管必須吸收負(fù)載不使用的任何電流。這很重要，因?yàn)槿绻?fù)載電流降至零，齊納二極管必須能夠處理流過串聯(lián)電阻器的全部電流。 齊納二極管必須消耗的最大功率等于流過齊納二極管的電流乘以齊納電壓。對(duì)于恒流負(fù)載，串聯(lián)電阻器的大小應(yīng)使得僅有啟動(dòng)和維持齊納擊穿效應(yīng)所需的電流流過二極管。其余的電流應(yīng)流過負(fù)載。如果負(fù)載電流可能降至零，則零負(fù)載時(shí)流過齊納二極管的電流乘以齊納電壓即為齊納二極管必須能夠消耗的絕對(duì)最小功率。像往常一樣，齊納二極管的功率額定值應(yīng)留有一些裕量，以免在負(fù)載電流變化的應(yīng)用中發(fā)生過熱。 有關(guān)詳細(xì)應(yīng)用信息以及計(jì)算給定齊納二極管應(yīng)用的適當(dāng)電阻值所需的公式，請(qǐng)參考之前提到的ON Semiconductor齊納二極管手冊(cè)。 低電流電路的電壓基準(zhǔn) 維持齊納擊穿效應(yīng)所需的電流大約在幾毫安，這對(duì)于低電流電路可能是一個(gè)問題。此類應(yīng)用現(xiàn)在可以使用工作電流非常小的雙端子電壓基準(zhǔn)（也稱為帶隙基準(zhǔn)）。 例如，Texas Instruments LM4040精密微功耗并聯(lián)電壓基準(zhǔn)的最小陰極電流小于80微安 (μA)，可提供2.048V、2.5V、3V、4.096V、5V、8.192V和10V的固定基準(zhǔn)電壓，出廠調(diào)校的電壓容差范圍為0.1%至1%。 在應(yīng)用中，這些電壓基準(zhǔn)的電路設(shè)計(jì)與齊納二極管相同，如圖3所示。LM4040電壓基準(zhǔn)上的兩個(gè)有源端子稱為陽極和陰極，就像該器件是二極管一樣。然而，LM4040顯然不是二極管，這可以從其原理圖看出（圖4）。  圖4：LM4040電壓基準(zhǔn)的內(nèi)部原理圖表明其遠(yuǎn)非一個(gè)簡單的二極管。（圖片來源：Texas Instruments） 總 結(jié) 盡管器件已經(jīng)存在很長時(shí)間，但并不會(huì)因此意味著它不再有用。器件供應(yīng)商制造齊納二極管已經(jīng)超過六十年，但齊納二極管仍在變強(qiáng)，履行著它們一直以來的使命。我已經(jīng)有所改變，我的角色也發(fā)生了變化，但我仍在變強(qiáng)（謝天謝地）。 如果您需要低工作電流的電壓基準(zhǔn)，務(wù)必也考慮一下雙端子電壓基準(zhǔn)。 （參考資料：ON Semiconductor - Zener Theory and Design Considerations） |
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