在模擬量采集電路設計中，如果AD芯片允許的電壓輸入范圍是0-10V，但采集信號的范圍是0-218VDC（遠遠大于10V）時，如何保證進入AD芯片的電壓在0-10V范圍內呢？

【資料圖】

措施之一是：在AD芯片的正負輸入引腳之間加一個10V的穩壓二極管，將最大輸入電壓鉗制在10V，如下圖所示：

穩壓二極管進行輸入電壓的穩壓示意圖

在此涉及到鉗位電路/鉗制電壓的概念：鉗位是指限制電路中某點的電動勢在某個值/范圍內，而用作鉗位的二極管則稱為鉗位二極管。

從以上示例中可知，因為穩壓二極管能夠穩定某點電壓，所以穩壓二極管本質上是一種特殊的鉗位二極管。

注：全文均以直流電路進行分析。

二極管的基本工作原理

各類二極管的工作原理是基于伏安特性曲線的，如下圖：

二極管伏安特性曲線

正向特性：二極管的兩端電壓U+>U-時，正向偏置，壓降穩定在0.7V左右，電流可無限大，理論分析時可看做短路。

反向特性：二極管的兩端電壓U->U+時，反向偏置，電流約為零，理論分析時可看做斷路。

擊穿特性：反向特性中，當反向電壓繼續增大至臨界電壓時（40V左右），二極管會被擊穿而形成通路，該電壓稱為擊穿電壓Ubr。

不同材質、不同用途的二極管工作于不同的特性區。

普通鉗位二極管的鉗位原理

普通鉗位二極管是利用二極管的正向特性（導通）和反向特性（斷路）來進行電位的鉗制，實際中常用到的有單向鉗位電路和雙向鉗位電路。

1.單向鉗位電路

單向鉗位電路可以將電路中某點的電動勢鉗制在固定值。

下圖即為針對Usc點的鉗位電路設計，圖中Usc處的電壓究竟是多少呢？以伏安特性曲線知識為基礎，我們有兩種分析方法：

假設法

假設Usc=6.7V，則D1、D2均正向偏置，但若D2正向偏置，則Usc會被D2強制下拉到2.7V，與Usc的初始假設矛盾。

假設Usc=2.7V，則D2正向偏置，D1反向偏置，即斷路，這樣分析，電路不矛盾。

所以，Usc=2.7V。

常識判斷法

根據“水往低處流”的基本常識，12V→6V與12V→2V，電流會更傾向于往2V的地方流動，所以粗略分析，Usc處的電壓為2.7V的概率會更大。

圖中Usc處電壓被鉗制在2.7V，這便是單向鉗位電路的作用。

2. 雙向鉗位電路

雙向鉗位電路可以將電路中某點的電動勢鉗制在某個范圍值。

下圖中，在引腳Pin處上下各添加了1個鉗位二極管，那么Pin引腳處的電壓被鉗制在多少呢？

雙向鉗位電路

依然根據伏安特性曲線分析：

當輸入Internal電壓大于VDD時，D1導通，D2截止，Pin的電壓為VDD+0.7V（約為VDD)；

當輸入Internal電壓小于GND時，D1截止，D2導通，Pin的電壓為GND-0.7V約為GND)；

故Pin腳的輸入電壓始終在VDD~GND范圍之間，這便是雙向鉗位電路的作用。

穩壓二極管的穩壓原理

穩壓二極管是利用二極管的擊穿特性來穩定電壓，常用的穩壓二極管為齊納二極管。

該二極管在正向偏置時，與普通二極管相同，壓降約為0.7V；反向偏置在未達到擊穿電壓時也與普通二極管相同，為斷路；但是當反向電壓達到擊穿電壓時，通過齊納二極管的反向電流會急劇增加，形成通路，但二極管兩端的擊穿電壓會保持不變，從而達到穩壓效果。

具體可見開篇電路圖：

齊納二極管穩壓

該齊納二極管的穩定電壓（擊穿）為10V，當模擬量輸入信號在0-10V內時，該D1分支斷路，進入AD芯片的電壓為采集到的電壓值；當模擬量輸入信號大于10V時，D1反向擊穿形成通路，進入AD芯片正負引腳之間的電壓穩定在10V，從而保護AD芯片不受損壞。

結論

穩壓二極管是一種特殊的鉗位二極管；

普通鉗位二極管利用的是二極管的正向特性和反向特性來鉗制電壓；穩壓二極管利用的是二極管的擊穿特性來穩壓；

普通鉗位二極管分為單向鉗位和雙向鉗位；單向鉗位是利用一個二極管將某電位點鉗制在固定值；雙向鉗位是利用兩個二極管將某電位點鉗制在一個既定的電壓范圍。

好了，今天就到這里了，歡迎大家一起討論學習！

審核編輯：湯梓紅