鉗位二極體的原理是什麼？

答：弄懂這個問題時，先必須瞭解何謂鉗位電路? 能夠把輸入輸出訊號的波形的某一部分固定在選定的電平上的電路，稱為鉗位電路。 如想改變鉗位電平，可在電路中接入直流電勢。如想將脈衝的底部鉗後，側可以將二極體反接。 下圖為一典型的整合運放塊的輸入訊號鉗位電路。

其次要充分了解二極體的伏安特性曲線。 由於構成晶體二極體的基本環節是PN接面，它在電路中所起的作用也是依靠它內部的PN接面來完成的。因此晶體二極體的特性，實際上就是PN接面的特性。

晶體二極體的種類按其結構和特性來分有很多種，其符號如下圖1一1所示。電流導通方向如圖上箭頭所指。實際上符號中三角形一端為P型區，而直線部分一端為N型區。 下圖為一典型的晶體二極體的伏安特性曲線圖。

縱軸代表電流I，橫抽表示加在二極體上的電壓U，交點0上部的直線表示流經二極體的正向電流的大小，下半部直線表示流經二極體反向電流的大小。交點0右半部直線表示加在二極體上正向電壓的大小。

左半部直線表示加在二極體上的反向電壓的大小。電流和電壓的大小由直線上的標度表示。 交點o又稱原點，它表示加在二極體上的電壓和流經二極體的電流等於零。

圖中曲線oA一段表示隨著加在二極體上的正向電壓從0V增加0.2V，流經二極體的正向電流也由0增加到1mA。曲線AB的上半段幾乎是陡峭的直線，正向電壓從0.2V增加到1V時，正向電流由1mA急速增加到20mA，曲線AB越陡，正向電流增加就越快。因此，當正向電壓很小時，正向電流增加得很緩慢；但當正向電壓超過一定值時，隨著正向電壓的增加，使正向電流增加得非常快。 曲線0CD部分表示二極體承受反向電壓時的情形。在曲線0C段，隨著加在二極體上的反向電壓的增加（從0增加到1V左右），反向電流也略有增加（從0增加到2uA左右）。

但當反向電壓繼續增加時，反向電流幾乎保持原來的值不變，此電流稱為反向飽和電流，因此曲線CD幾乎是一個水平的、與橫軸平行的直線。 對於用不同半導體材料和不同結構、不同工藝製造的二極體，其伏安曲線特性是有差異的。正向電流隨正向電壓上升的快慢程度以及反向電流的大小，都各不相同。但是伏安曲線特性的基本形狀都是相似的。 如果繼續增加二極體的反向電壓，就會發現，當反向電壓增加到某一數值時，流經二極體的反向電流將突然激增，如再少許增加反向電壓，則電流更急劇增大，甚至燒壞二極體。這種現象稱為二極體反向擊穿電壓。

鉗位二極體鉗位的原理是利用二極體伏安特性曲線中的正向特性來工作的。

上圖中整合運算放大器中，是採用通用半導體公司的1N4007（它的反向恢復時間為30uS）。兩隻串聯、兩兩並聯，鉗位電平在1.4Ⅴ左右，也可以根據實際需要用兩隻二極體反相併聯，此時鉗位電平 在0.7V左右。 常用的鉗位二極體型號太多。例如；Dl0DES公司的FR107等等。

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鉗位二極體又叫瞬態抑制二極體。簡稱TVS。

常見的瞬態抑制二極體實物如下圖所示。

瞬態抑制二極體有單極型和雙極型之分。其圖形符號見下圖。

瞬態抑制二極體是一種二極體形式的高效能保護器件，當它兩極間的電壓超過一定值時，能以極快的速度導通，將兩極間的電壓固定在一個預定值上，從而有效地保護電子線路中的精密元器件。

下圖所示是瞬態抑制二極體特性曲線，其伏安特性與普通穩壓二極體的擊穿特性一致，為典型的PN接面雪崩器件。

時間-電壓電流特性曲線中，曲線1時瞬態抑制二極體中的電流波形，它表示流過二極體的電流突然上升到峰值，然後按指數規律下降，造成這種電流衝擊的原因可能是雷擊、過壓等。

曲線二是瞬態電壓抑制二極體兩端電壓的波形，它表示二極體中的電流突然上升時，二極體兩端電壓也隨之上升，但是最大隻上升到Uc值，這個值比擊穿電壓略大，從而起到保護元器件的作用。

下圖所示是幾種瞬態抑制二極體實用電路，電路中的VD1為瞬態抑制二極體，他們都在電路中起著瞬態電壓保護的作用。

在浪湧保護電路中，也可以採用壓敏電阻器，但是瞬態抑制二極體比壓敏電阻的效能優越的多，反應速度快。

單極型瞬態抑制二極體用來抑制單向脈衝高壓，如下圖所示。當大幅度正脈衝的尖峰到來時，單極型瞬態抑制二極體反向導通，正脈衝被嵌在固定值上；在大幅度負脈衝到來時，若A點電壓低於-0.7V，單極型瞬態抑制二極體正向導通，A點電壓被嵌在-0.7V。

雙極型瞬態抑制二極體可抑制雙向瞬間高壓，如下圖所示，當大幅度正脈衝的尖峰到來時，雙極型瞬態抑制二極體導通，正脈衝被鉗位在固定值上，當大幅度負脈衝的尖峰到來時，雙極型瞬態抑制二極體導通，負脈衝被抑制在固定值上。

在實際電路中，雙極型瞬態抑制二極體更為常用，如無特別說明，瞬態抑制二極體是指雙極型。

單極型瞬態抑制二極體具有單向導電性，其極性好壞與檢測方法與穩壓二極體相同。

雙極型瞬態抑制二極體的兩引腳無極性之分，用萬用表RX1K檔檢測時，正、反向阻值應均為無窮大。雙極型瞬態抑制二極體擊穿電壓的檢測如下圖所示。二極體VD為整流二極體，白熾燈用於降壓限流，在220V電壓正半周時VD導通，對電容充的上正下負的電壓，當電容兩端電壓上升到瞬態抑制二極體的擊穿電壓時，瞬態抑制二極體擊穿導通，兩端電壓不再升高，萬用表測得的電壓近似為瞬態抑制二極體的擊穿電壓。該方法適用於檢測擊穿電壓小於300V的瞬態抑制二極體，因為220V市電的最高瞬間電壓對電容充電最高達300V以上。

一、什麼是鉗位二極體

鉗位二極體其實就是TVS 管，也就是瞬態抑制二極體的簡稱（Transient Voltage Suppressor）。它是在穩壓二極體的基礎上發展而來的，是一種二極體形式的新型高效能保護器件，也就是限壓型的過壓保護器件。

TVS通常採用二極體式的軸向引線封裝結構，也有貼片的，TVS的核心單元是晶片，晶片有單極型和雙極型兩種結構，單極型TVS有一個PN接面，雙極型TVS有兩個PN接面。單極性只對一個方向的浪湧電壓衝擊起保護作用，雙極性。

瞬態二極體對相反的極性浪湧電壓衝擊都起保護作用，相當於兩隻穩壓管反向串聯。這種管突出的特點就是具有擊穿電壓低、響應時間為幾十ps數量級、漏電流小、瞬態功率大、無噪聲等特點，因此在訊號系統內得到廣泛的應用及認可。

下面來先了解一下兩個二極體反向串聯時候是怎工作的，如下圖D1和D2兩個二極體反向串聯在一起，這屬於鉗位保護電路，也有利用這種鉗位來取過零訊號，在鉗位電路中，二極體負極接地，則正極端電路被鉗位零電位以下；工作時候一次只能有一個二極體導通，而另一個處於截止狀態，那麼它的正反向壓降就會被鉗制在二極體正向導通壓降0.5-0.7（假如導通壓降是此）以下，從而起到保護電路的目的。

如下圖是TVS管的電壓---電流特性。在浪湧電壓的作用下，TVS管兩極之間電壓由額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR 時被擊穿，出現了擊穿電流,，於是流過 TVS 管的電流將達到峰值脈衝電流 IPP ,其兩端的電壓也被鉗位於預定的最大鉗位電壓VC以下。其後隨著脈衝電流按指數衰減，TVS 管兩極的電壓也不斷下降，最後恢復到初態 ，這就是 TVS 管抑制浪湧電流脈衝功率，保護電子器件的原理。

保護電路在很多方面都有應用，例如在電機通斷電路應用、電源過壓衝擊應用、通訊電路防靜電保護、各種負載衝擊電路等。如下圖是其中的四種。

1、線路衝擊保護電路

這是應用比較多的，一般是在直流的場合，只需要加單向的就可以了，有些還加雙向的。

2、因負載通斷引起衝擊的保護電路

由於很多負載都不是純阻性的，在關斷過程當中都會有一個反向電動勢等尖峰電壓，很容易損壞負載以及電路元器件。

3、繼電器、接觸器等保護電路應用

在繼電器有時候也可以反向並聯一個快恢復二極體。

4、電源過壓衝擊應用

在使用TVS二極體時需要選擇合適的管子，要不然達不到既經濟又能保護電路的效果，在實際當中一般都要注意以下三點：

1、單向還是雙向

由於雙向TVS可以在正反兩個方向吸收瞬時大脈衝功率，並把電壓箝制到預定水平。如果電路有可能承受來自兩個方向的浪湧電壓衝擊時， 應當選用雙向TVS。 值得注意的是：雙向TVS一般適用於交流電路，單向TVS一般用於直流電路。

2、最大峰值脈衝功耗

TVS的最大峰值脈衝功耗PM必須大於電路中出現的最大瞬態浪湧功率。由於在實際應用過程中，浪湧有可能重複地出現，因此在規定的間隔時間內，重複施加脈衝能量的累積不至於超過TVS器件的脈衝能量額定值。

3、最大反向工作電壓

最大反向工作電壓的選取也是一個比較重要引數，一般原則是以交流電壓

的1.4倍來選取TVS管的最大反向工作電壓。 直流電壓則按1.1～1.2倍來選取TVS管的最高反向工作電壓。

鉗位二極體一般在保護電路中用的比較多，起到對電壓的鉗位作用對後級電路起到保護作用，不至於後級電路被高壓擊穿。

鉗位二極體的使用方法如下圖所示，一般將二極體反向連線在電路中，電路正常工作時兩個二極體都不會工作，不影響電路。

上圖中，對於比較重要的引腳，如微控制器的引腳，會加兩個二極體，這兩個二極體都是反向連線的，當引腳上出現比較高的電壓後二極體D1構成通路將高壓洩放掉，不至於高壓把引腳打壞，比較典型的應用就是靜電保護。如下圖所示，綠色部分就是被鉗位的電壓。

現在有很多整合晶片，雖然內部也是兩個二極體但是大大縮小了體積，以BAV99為例介紹一下。BAV99的內部結構如下圖所示，就是由兩個二極體構成的，其響應時間非常快，為ns級別。

鉗位顧名思義就是把電壓鉗制

在電路中，鉗位指控制電壓在固定的範圍內。二極體有著單向導通的特性，它正向導通時會有一個固定的壓降；對於穩壓二極體，它還有一個反向擊穿穩壓特性。二極體的正向導通固定壓降和穩壓二極體反向擊穿穩壓都可以用於設計鉗位電路，用於鉗位電路的二極體稱之為鉗位二極體，不同的鉗位應用會使用不同的二極體。

穩壓二極體作為鉗位二極體

在過壓保護電路中，我們可以用穩壓二極體設計鉗位電路。如下圖12V過壓保護電路中，使用了12V的穩壓二極體進行鉗位。當輸入電壓小於等於12V時，PNP三極體Q2截止，PMOS（Q3）管導通，VCC獲得正常供電。當輸入電壓上升至12.5V或以上時，由於12V的穩壓二極體的鉗制，PNP三極體的基極控制電壓維持在12V，Q2會開始導通，導致PMOS（Q3）關斷，VCC供電停止。肖特基二極體作為鉗位二極體

增加鉗位二極體可以保護微控制器的輸入輸出口，如下圖，加入了兩個肖特基二極體作為鉗位二極體，可以有效防止GPIO被靜電擊穿。當電壓大於VDD時，D1導通，靜電透過D1釋放到VDD去；當電壓小於GND時，D2導通，靜電透過D2釋放到GND去。因為需要快速釋放靜電，所以一般會選擇肖特基二極體或者快速開關二極體作為鉗位二極體。

鉗位二極體電路的工作原理

所謂鉗位二極體就是我們利用二極體的具有單向導電性的特點以及它導通後管壓降基本固定的特性來實現鉗位的。它的實用電路是利用二極體可以實現限幅電路，用來控制輸出電壓的幅度，有時候我們也稱這種電路叫削波電路。

下面我們舉一個雙向鉗位電路的例子來說明這個問題，我們以ui作為輸入電壓，uo作為輸出電壓。我們假設當輸入電壓ui>E1時，那麼二極體D1就會導通，D2就會截止。所以輸出端的電壓uo就等於EI兩端的電壓，也就是說uo=E1；當輸入電壓ui<E2時，那麼二極體D1就會反向截止，D2就會正向導通。所以輸出端的電壓uo就等於E2兩端的電壓，也就是說uo=E2了。其完整的波形圖如下圖所示的那樣.

還有一種是在以前老式彩色電視機中常用的鉗位電路,初始時由於二極體的作用其輸出電壓uo=0V,這時電容兩端被充電,電容的兩端電壓可以充到Uim。當輸如電壓從最大開始下降時，二極體會截止，會使uo=ui-uc，如果此時電阻非常的大的話，電容放電就很慢，會使uc=Uim。這時輸出電壓uo相當於把輸入的電壓ui向下平移了Uim。也就是說uo=ui-Uim。其波形如下圖所示。

對於普通鉗位電路來所，沒有特殊要求的我們用一般二極體就可以了，比如IN4007、IN4148等當然在一些特殊的鉗位電路中還可以用一些特殊的二極體，比如常見的穩壓二極體、瞬態電壓抑制二極體VTS等都是可以的。