齐纳二极管的案列分析

使用齐纳二极管时，它们不能根据您的实际要求将电位限制在理想值。例如，下图：

图8.稳压电路图

前端获取信号后，由运算放大器放大，然后输入到微控制器的ADC，只看到输出电路：

图9.稳压电路图（部分）

电容C17是采样保持电容，电阻R31和齐纳二极管D9构成电压调节电路。如果输出电压大于3.3V，则由齐纳二极管箝位至3.3V。然而，事实并非如此，这种二极管有自己的特性曲线。有关用 BZT52C3V3 替换电路中的 1N4728 稳压器的信息，请参阅 Kynix 半导体上的 BZT52C3V3 稳压器：

图 10.齐纳击穿特性 （a）	图 11.齐纳击穿特性 （b）

看C3V3的曲线可以看出，当齐纳二极管的电流为0时，其电压约为1.8V，这意味着当电路上的限流电阻R31的电阻为无穷大时，流过齐纳二极管的电流几乎为零，输出电压约为1.8V。当电阻R31的电阻较小时，无论前端输出的内阻如何，流过二极管的电流都非常大，输出电压可以达到3.5 V至4.0 V之间。 显然，在这两种情况下，齐纳二极管都不能很好地发挥其职责。

当输入电压小于3.3V时，齐纳二极管的输出和前端输入保持不变。当前端输入电压大于3.3V时，齐纳二极管输出3.3V。但现实情况是，没有这样的齐纳二极管。

假设上图中的输入电压为Uo，齐纳二极管的电压为Ui，R31的电阻为R，通过二极管的电流为i，可以得到公式：

i = （Uo - Ui） / R

将公式更改为：

i = （-1/r） * ui + uo/r

该方程绘制在齐纳二极管的特性曲线上：

图 12.齐纳击穿特性 （c）

方程的截距为 Uo/R ，即稳压器短路时的电流。方程和 X 轴的交点是 Ui=Uo 。这条线和C3V3曲线的焦点是齐纳二极管的工作点。但是这个方程还没有确定，因为Uo和R的值不是固定的。我们知道前端输入电压由运算放大器处理。运算放大器的工作电压为5V，因此运算放大器的输出电压最多不超过5V，因此我们假设Uo的范围在0到5V之间。

因为微控制器系统AD部分的基准电压为3.3V。如果希望齐纳二极管的输出电压不超过3.3V，则假设交点电压为3.3V，则需要保持上述公式和特性曲线的交点不超过3.3V。此时，通过齐纳二极管的电流是 5mA ，当我们的方程刚好通过这一点时：

图 13.齐纳击穿特性 （d）

齐纳二极管的输出电压正好是3.3V，我们称此点为参考点。如果方程和曲线的交点低于参考点，则齐纳二极管的输出电压小于3.3V。如果方程和曲线的交点高于参考点，齐纳二极管的输出电压大于3.3V，这将影响微控制器甚至烧坏。

图 14.齐纳击穿特性 （e）

输出电压高于3.3V为异常。在正常状态下，运算放大器发射的电压小于等于3.3V，我们需要运算放大器的输出电压Uo和齐纳二极管的输出电压小于3.3V，即Uo=Ui。当运算放大器的输入电压小于或等于3.3V时，公式与X轴的交点为Ui≤3.3V。此时，方程和曲线的交点总是小于参考点，因为方程不能垂直。交叉处的Ui 小于 3.3V，这意味着我们的运算放大器输出为 3.3V，齐纳二极管的输出电压小于 3.3V。这会导致信号失真，即输入信号和输出信号不一致。系统中绝对不允许，因为不同的电压表示相应测量值的变化。

那么如果遇到这个问题，我们该怎么办呢？我们刚刚发现，特征曲线和X轴的交点不是Ui=0，而是 **Ui=** **1.8V** 。此时，当我们的运算放大器传输的电压小于1.8V时，Uo和Ui的值是相同的。换句话说，不会发生信号失真：

图 15.齐纳击穿特性 （f）

可以看出，方程和曲线的交点总是在X轴上，即 Ui = Uo 。但范围减小，从0到3.3V到1.8V，AD检测精度降低，为了系统的稳定性，需要齐纳二极管。当然，如果您选择具有更好特性曲线（更昂贵）的齐纳管。此时，齐纳与X轴的特性曲线的交点可能是2.0V或更高。

我们可以观察特性曲线，看看3.9V齐纳管的特性曲线 C3V9 。与X轴相交处的UI约为3V。当齐纳管的电流约为1mA时，UI约为3.3V，可以使用3.9V稳压器进行电压调节。等式如下：

图 16.齐纳击穿特性 （g）

一般情况下 ，运算放大器的输出电压在3.3V范围内，方程与曲线的交点在X轴上，参考下面的红线。当值超过3.3V时，为了保证方程与曲线的交点低于参考点，我们需要减小方程的斜率，使方程和曲线的交点满足Ui ≤3.3V，方程的斜率为（-1/R）。减小斜率就是增加R值，即我们可以使用3.9V稳压管来增加R31的电阻。粗略地，我们可以看到，当Ui=3.3V，i约为1mA时，我们将这一点放入等式中：

1mA = -3.3/R + Uo/R

当Uo取最大值5V时，计算R**=1700**欧姆。也就是说，当R大于等于1700欧姆，Uo小于等于5V时，方程和曲线的交点总是小于参考点。同时，我们的不失真电压范围为0至3V，远大于使用3.3V齐纳二极管时的0至1.8V。