箝位二極管的原理功能和應(yīng)用

夾具意味著卡住位置。在電路中，是控制電壓的手段。箝位二極管是一種二極管，用于限制電路中某一點(diǎn)的電位，將輸入電壓控制到峰值到預(yù)定電壓，而不改變信號。工作原理也是二極管的單向電導(dǎo)率。

箝位二極管的原理是什么？要理解這個(gè)問題，首先要了解鉗位電路。能夠?qū)⑤斎胼敵鲂盘柌ㄐ蔚哪骋徊糠止潭ㄔ谶x定電平的電路稱為箝位電路。如果要更改箝位電平，可以在電路中連接直流電位。如果要箝位脈沖的底部，可以在側(cè)面反轉(zhuǎn)二極管。下圖顯示了典型集成運(yùn)算放大器模塊的輸入信號箝位電路。

箝位二極管保護(hù)電路由兩個(gè)反向串聯(lián)的二極管組成。一次只能導(dǎo)通一個(gè)二極管，另一個(gè)處于關(guān)斷狀態(tài)。結(jié)果，它的正向和反向壓降將被鉗位到二極管的正向?qū)ㄉ?。壓降低?.5-0.7，以保護(hù)電路。

箝位電路的作用是將周期性變化波形的頂部或底部保持在一定的直流電平。以一個(gè)普通二極管箝位電路為例，假設(shè)輸入信號，在零時(shí)間，uO（0+）=+E，uO產(chǎn)生幅度為E的正躍遷。之后，在0到t1之間，二極管D導(dǎo)通，電容C的充電電流很大，uC很快等于E，導(dǎo)致uO=0。在 t1 處，ui（t1）=0，uO 再次出現(xiàn)振幅 -E 跳躍。在t1~t2期間，D關(guān)斷，充電電容C只能通過R放電，通常R的值非常大，導(dǎo)致uC下降非常緩慢，uO變化很小。在 t1 處，uI（t2） = E，并且 uO 具有振幅 E 的跳躍。在 t2 至 t3 期間，D 導(dǎo)通，電容 C 充電。與從0到t1的周期不同，此時(shí)電容器上存儲(chǔ)了大量電荷，因此充電持續(xù)時(shí)間更短，uO降低到零的速度更快。稍后重復(fù)上述過程，uO和uC的波形。可以看出，uO的頂部基本上被限制在零電平，因此該電路稱為零電平正峰值（或頂部）箝位電路。

將二極管反接，將輸入矩形波的底部箝位在零電平，形成零電平負(fù)峰值（或底部）箝位電路。

三極管箝位電路，如果它的BE結(jié)也看成是二極管，那么，就箝位原理而言，所示電路是完全相同的，只是電路還具有放大作用。

為了更好地了解箝位二極管的原理，以下是兩種不同城市原理的介紹：

1.負(fù)箝位二極管電路

負(fù)箝位二極管電路的電路結(jié)構(gòu)

工作原理：

當(dāng)Vi為正半個(gè)周期時(shí);充電開始，電容器C充電至V值。此時(shí)，箝位二極管導(dǎo)通，Vo=0V。

當(dāng)Vi為負(fù)半周期時(shí)，停止充電，電容上的電壓為-V，同時(shí)加負(fù)半周期電壓-V，Vo=-2V。

2.偏置型箝位二極管電路

偏置式箝位二極管電路的電路結(jié)構(gòu)

工作原理：

當(dāng)Vi為正半個(gè)周期時(shí)，二極管DON，C充電至V值（左正，右負(fù)），Vo=+V1（a）或-V1（b）。

當(dāng)Vi為負(fù)半周期時(shí)，二極管DOFF，RC時(shí)間常數(shù)足夠大，Vo=VC+Vi（負(fù)半周期）=2V。

二、職能

在箝位電路中，二極管的陰極接地，正極端子電路箝位低于零電位;

1.當(dāng)二極管的陰極接地，正端電路的電位高于地時(shí)，二極管會(huì)導(dǎo)通并拉低其電位，即將正端電路箝位至零電位或以下（忽略管壓降）。

2.當(dāng)二極管的陽極接地，負(fù)極電路的電位高于地時(shí)，二極管將被切斷，其電位不會(huì)受到二極管的影響;

3.在箝位電路中，如果二極管的陰極連接到+5V，則正極端子電路被箝位到+5V電位以下;

4.在箝位電路中，如果二極管的陽極連接到+5V，則負(fù)極端子電路將被箝位到+5V電位以上。

鉗位電路的作用

箝位二極管是1N5177肖特基二極管，因?yàn)樗鼈兊恼驅(qū)妷旱扔诩s0.4V，低于運(yùn)算放大器輸入靜電放電（ESD）保護(hù)二極管的正向?qū)妷?因此，箝位二極管將在ESD二極管開始導(dǎo)通電流之前。過壓保護(hù)電阻 ROVP 限制流過箝位二極管的正向電流，使其低于最大額定電流，并防止電流過大造成損壞。使用反饋環(huán)路電阻RFB是因?yàn)橥噍斎攵说娜魏屋斎肫秒娏鞫紩?huì)流過ROVP并產(chǎn)生輸入電壓誤差 - 增加RFB值可以消除誤差，因?yàn)樗鼤?huì)在反相輸入端產(chǎn)生類似的電壓。

三、應(yīng)用

1.用于保護(hù) GPIO

GPIO的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)采用箝位二極管電路，如下圖所示。其功能是防止來自外部I/O引腳的電壓輸入過高或過低而對內(nèi)部電路造成損壞。如果來自Pin的信號輸入（假設(shè)任何輸入信號具有一定的內(nèi)阻）電壓超過VDD加上上二極管的導(dǎo)通壓降（驅(qū)動(dòng)0.7V），二極管將導(dǎo)通，多余的電流將被吸引到VDD，而輸入到內(nèi)部的實(shí)際信號電壓不會(huì)超過VDD+0.7V。同樣，如果來自Pin的信號電壓輸入低于VSS，則由于較低二極管的影響，實(shí)際輸入內(nèi)部信號電壓將被箝位至VSS-0.7V左右。

GPIO的電路配置

GPIO的基準(zhǔn)電源VDD由鉗位二極管D1的陰極拉起，箝位二極管D2的陽極連接到GND。

當(dāng)輸出電壓大于VDD時(shí);D1導(dǎo)通，D2關(guān)斷，引腳電壓為VDD（忽略二極管導(dǎo)通壓降）;

當(dāng)輸入電壓小于GND時(shí);D1關(guān)斷，D2導(dǎo)通，引腳電壓為GND（忽略二極管的導(dǎo)通壓降）;

因此，輸入電壓范圍可以控制在［GND，VDD］之間，以保護(hù)引腳免受損壞。如何確定 GPIO 是否損壞？方法如下：

首先，將萬用表調(diào)整到二極管位置，將紅色測試引線連接到主板的GND，并將黑色測試引線連接到測試GPIO引腳。此時(shí)，是測量二極管D2是否損壞。測試值是二極管的導(dǎo)通值，一般范圍為0.4-0.6V。超出此范圍就是二極管擊穿。

其次，將紅色測試引線連接到測試 GPIO 引腳，將黑色測試引線連接到 GND。此時(shí)，是測量二極管D1是否損壞。

添加箝位二極管可以保護(hù)微控制器的輸入和輸出端口。如上圖所示，增加兩個(gè)肖特基二極管作為鉗位二極管，可以有效防止GPIO被靜電擊穿。當(dāng)電壓大于VDD時(shí)，D1導(dǎo)通，靜電通過D1釋放到VDD;當(dāng)電壓小于GND時(shí)，D2導(dǎo)通，靜電通過D2釋放到GND。由于需要快速釋放靜電，一般選擇肖特基二極管或快速開關(guān)二極管作為箝位二極管。

2.其他用途

箝位電路也經(jīng)常用于各種顯示設(shè)備。在示波器和雷達(dá)顯示器中，采用鉗位電路恢復(fù)掃描信號的直流分量，以解決掃描速度變化引起的圖像位置在屏幕上移動(dòng)的問題。在電視系統(tǒng)中，采用鉗位電路將全電視信號的同步脈沖頂部保持在固定電壓，以克服直流分量損耗或干擾引起的電平波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電視同步信號的分離。

箝位二極管將產(chǎn)生箝位電壓。它限制的對象可以是需要過壓保護(hù)的對象，例如開關(guān)電源中的MOS管。需要一個(gè)鉗位網(wǎng)絡(luò)來限制D極和S極之間的電壓，以保護(hù)MOS免受損壞。