钳位是指限制电路中某点的电动势在某个值/范围内,而用作钳位的二极管则称为钳位二极管。
钳位二极管其中的一端所接的电位必须是恒压的,即假设该端的电位不会发生变化,作为参考电位端。而另一端则为被钳端,该端的电位是会发生改变的,是需要进行限制的端。通过二极管的钳位作用将被钳端的电位强制拉向参考端,这就称之为钳位。
钳位与稳压的区别:钳位是将某点的电位进行限制,使其不大于或者不小于参考端的值,该点的电位是可变的,是利用二极管的正向导通特性来进行钳位。稳压是将某点的电位稳定在某个恒定的值,电位不可改变,是利用二极管的反向击穿特性来进行稳压。
稳压二极管进行输入电压的稳压示意图:
从以上示例中可知,因为稳压二极管能够稳定某点电压,所以稳压二极管本质上是一种特殊的钳位二极管。
钳位二极管的钳位原理
钳位二极管是利用二极管的正向特性(导通)和反向特性(断路)来进行电位的钳制,实际中常用到的有单向钳位电路和双向钳位电路。
1.单向钳位电路
单向钳位电路可以将电路中某点的电动势钳制在固定值。
下图即为针对Usc点的钳位电路设计,图中Usc处的电压究竟是多少呢?以伏安特性曲线知识为基础,两种分析方法:
假设法
假设Usc=6.7V,则D1、D2均正向偏置,但若D2正向偏置,则Usc会被D2强制下拉到2.7V,与Usc的初始假设矛盾。
假设Usc=2.7V,则D2正向偏置,D1反向偏置,即断路,这样分析,电路不矛盾。
所以,Usc=2.7V。
常识判断法
根据“水往低处流”的基本常识,12V→6V与12V→2V,电流会更倾向于往2V的地方流动,所以粗略分析,Usc处的电压为2.7V的概率会更大。
图中Usc处电压被钳制在2.7V,这便是单向钳位电路的作用。
2.双向钳位电路
双向钳位电路可以将电路中某点的电动势钳制在某个范围值。
下图中,在引脚Pin处上下各添加了1个钳位二极管,那么Pin引脚处的电压被钳制在多少呢?
双向钳位电路
依然根据伏安特性曲线分析:
当输入Internal电压大于VDD时,D1导通,D2截止,Pin的电压为VDD+0.7V(约为VDD);
当输入Internal电压小于GND时,D1截止,D2导通,Pin的电压为GND-0.7V约为GND);
故Pin脚的输入电压始终在VDD~GND范围之间,这便是双向钳位电路的作用。
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