模擬電路基礎(chǔ)知識(shí)（2）

5、二極管

1）二極管是常用的基礎(chǔ)元器件，作用：防反、整流、穩(wěn)壓、續(xù)流、檢波、倍壓、鉗位、包絡(luò)線檢測(cè)。

（1）防反作用

在主回路中，串聯(lián)一個(gè)二極管，是利用二極管的單向?qū)щ姷奶匦?，?shí)現(xiàn)了最簡單可靠的低成本防反接功能電路。這種低成本方案一般在小電流的場(chǎng)合，類似小玩具等。因?yàn)槎O管導(dǎo)通會(huì)有一個(gè)0.7V（硅管）的導(dǎo)通壓降，如果實(shí)際電流很大的話，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)熱損耗，會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。而且如果反接的電壓很大的話，超過反向截止電壓，也會(huì)擊穿二極管本身，導(dǎo)致二極管失效，起不到防反接的功能，從而不能起到保護(hù)后級(jí)電路的作用了。

（2）整流作用

整流電路是將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習(xí)慣上稱單向脈動(dòng)性直流電壓。

（3）穩(wěn)壓作用

具備穩(wěn)壓作用的二極管叫做穩(wěn)壓二極管，英文名稱Zener diode，又叫齊納二極管。利用PN結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變，其基本電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。

（4）續(xù)流作用

續(xù)流二極管都是并聯(lián)在線圈兩端，當(dāng)線圈通過電流時(shí)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電流消失時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路中的原件產(chǎn)生反向電壓。當(dāng)反向電壓高于原件的反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)把元器件如三極管等造成損壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在線兩端，當(dāng)流過線圈中的電流消失時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉。從而保護(hù)了電路中的其它元件的安全。

可做續(xù)流的二極管有：

普通二極管中：1N4007

快恢復(fù)二極管：FR107、1N4148

肖特基二極管：1N5819

（5）檢波作用

峰值檢波電路是對(duì)輸入信號(hào)幅值的最大值進(jìn)行檢測(cè)，其工作原理是：當(dāng)輸入電壓幅度大于二極管正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出電壓加在電容C1上，電容兩端充電完畢，當(dāng)輸入電壓幅值低于先前輸入電壓幅值時(shí)，二極管處于反偏截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，電容兩端的電壓基本保持不變；若再輸入信號(hào)，輸入電壓幅度必須高于此時(shí)電容兩端的電壓，即加在二極管的正向電壓，二極管才能導(dǎo)通。

（6）倍壓作用

下圖是一個(gè)2倍壓電路原理圖，其工作過程大概分析如下：電源負(fù)半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通D2截止，電流從電源下端流出經(jīng)過D1C1回到電源，因此電容C1右正左負(fù)，如下圖中紅色箭頭。

電源正半周時(shí)，電容C1上的電壓疊加電源電壓，使二極管D2導(dǎo)通，二極管D1截止，電容C2上正下負(fù)，峰值電壓可達(dá)2倍電源的峰值電壓，即實(shí)現(xiàn)二倍壓，該半周期時(shí)電流走向如下圖中桔色箭頭所示。

（7）ADC檢測(cè)口電壓鉗位作用

在一些ADC檢測(cè)電路中會(huì)用兩個(gè)二極管進(jìn)行鉗位保護(hù)，原理很簡單，0.7V為D1和D2的導(dǎo)通壓降，Vin進(jìn)來的電壓大于等于3.3V+0.7V時(shí)，D35導(dǎo)通，Vout會(huì)被鉗位在4V；Vin小于等于-0.7V時(shí)，Vout被鉗位在-0.7V左右。

2）TVS&ESD保護(hù)二極管

? D5：TVS管-EDS器件，通常用在接口處，用于防靜電；當(dāng)手觸摸按鍵時(shí)，有可能會(huì)釋放靜電，將芯片pin損壞；

（1）TVS和 EDS區(qū)別：

? 當(dāng)TVS管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

? 靜電放電即ESD（Electro-Static discharge），是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。ESD是20世紀(jì)中期以來形成的以研究靜電的產(chǎn)生、危害及靜電防護(hù)等的學(xué)科，因此，國際上習(xí)慣將用于靜電防護(hù)的器材統(tǒng)稱為ESD。

? TVS管和ESD管的工作原理是一樣的，但功率和封裝是不一樣的；ESD主要是用來防靜電，防靜電就要求電容值低；TVS就做不到這一點(diǎn)，TVS的電容值比較高。

? ESD靜電二極管，主要功能是防靜電，然而防靜電要求電容值低，一般在1--3.5PF之間最好；而TVS二極管的電容值卻比較高。

? ESD保護(hù)二極管，主要應(yīng)用于板級(jí)保護(hù)；TVS二極管用于初級(jí)和次級(jí)保護(hù)。

? 選用ESD靜電二極管時(shí)，更多看的是ESD二極管的的ESD rating (HBM/MM)和IEC61000-4-2的LEVEL，高速的USB和I/O非常重視ESD二極管的C；而選用TVS二極管時(shí)，看的是功率和封裝形式；在實(shí)際應(yīng)用中，二者通常相輔相成，緊密相連，各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，更有效地為電路安全保駕護(hù)航！

（2）參數(shù)解析：

1）VRWM 截止電壓，IR 漏電流

VRWM：截止電壓， TVS的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起TVS 劣化或損壞的最大的直流電壓或交流峰值電壓。

在VRWM 下，TVS 認(rèn)為是不工作的，即是不導(dǎo)通的。

IR：漏電流，也稱待機(jī)電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過TVS 的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測(cè)量，對(duì)于某一型號(hào)TVS，IR 應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。

2）VBR 擊穿電壓

VBR：擊穿電壓，指在V-I 特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流IT或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測(cè)得TVS 兩端的電壓。對(duì)于低壓TVS，由于漏電流較大，所以測(cè)試電流選取的IT較大。

3）IPP 峰值脈沖電流 ，VC 鉗位電壓

IPP：峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS 一般選用10/1000μs 電流波形。

VC：鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流IPP 時(shí)，TVS 兩端測(cè)得的峰值電壓。

IPP 及VC 是衡量TVS 在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的。對(duì)于TVS 在防雷保護(hù)電路中的鉗位特性，可以參考VC這個(gè)參數(shù)。對(duì)于相同型號(hào)TVS，在相同IPP下的VC 越小，說明TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考IPP，同型號(hào)的TVS，IPP越大，耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)。

（3）保護(hù)管選型方式

? TVS器件選型

（1）TVS是用來防護(hù)浪涌電流的，如果知道要防護(hù)的最大電流Ipp最好。首先確定TVS的Ipp。

（2）再其次確定待防護(hù)電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電，應(yīng)計(jì)算出最大值，即用有效值*1.414。

（3）根據(jù)2中已知工作電壓，選擇TVS的Vrwm，要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會(huì)導(dǎo)致TVS反向漏電流增大，接近導(dǎo)通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。

（4）所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。否則，當(dāng)TVS鉗在Vc時(shí)會(huì)對(duì)電路造成損壞。

（5）其中2-4步可以先于1，如果不知Ipp，可以根據(jù)信號(hào)的功率確定Ipp。

（6）單極性還是雙極性-常常會(huì)出現(xiàn)這樣的誤解即雙向TVS用來抑制反向浪涌脈沖，其實(shí)并非如此。雙向TVS用于交流電或來自正負(fù)雙向脈沖的場(chǎng)合。TVS有時(shí)也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號(hào)，那麼單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時(shí),TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài)；反向浪涌時(shí)，TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。

這個(gè)時(shí)候需要參考TVS的正向?qū)ǚ逯惦娏?，Ifsm。5.0SMDJ系列的最大正向?qū)娏鳛?00A。

? ESD器件選型

（1）計(jì)算接口信號(hào)幅值的范圍來確定ESD器件的工作電壓；

（2）根據(jù)信號(hào)類型決定使用單向或者雙向ESD器件;

（3）根據(jù)信號(hào)速率決定該接口能承受的最大寄生電容；

（4）根據(jù)電路系統(tǒng)的最大承受電壓沖擊，選擇適合的鉗位電壓；

（5）確保ESD器件可達(dá)到或超過IEC 61000-4-2 level4。

? 例如USB2.0接口保護(hù)電路：

TVS 的截止電壓（Vrmw）應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓；

TVS 鉗位電壓（VC）應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓；

6、三極管和MOS管

肖特基二極管是二極管，特點(diǎn)是低功耗、超高速、反向恢復(fù)時(shí)間極短、正向壓降小，適合做整流電路；

場(chǎng)效應(yīng)管是三極管，特點(diǎn)是輸入阻抗高、噪聲小、功耗低、漏電流小，開關(guān)特性好，適合做放大電路或開關(guān)電路。

7、晶振

晶振一般指石英晶體振蕩器，也叫晶體振蕩器。晶體振蕩器是一種使用逆壓電效應(yīng)的電子振蕩器電路，即當(dāng)電場(chǎng)施加在某些材料上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。因此，它利用壓電材料的振動(dòng)晶體的機(jī)械共振來產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號(hào)。

1）晶振阻抗頻率：

晶體的等效阻抗具有串聯(lián)諧振，其中Cs在晶體工作頻率下與電感Ls諧振。該頻率稱為晶體系列頻率?s。除了這個(gè)串聯(lián)頻率之外，當(dāng)Ls和Cs與并聯(lián)電容器Cp諧振時(shí)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，如下圖所示，還建立了第二個(gè)頻率點(diǎn)。

上面晶體阻抗的斜率表明，隨著頻率在其端子上增加，在特定頻率下，串聯(lián)電容器Cs和電感器Ls之間的相互作用產(chǎn)生了一個(gè)串聯(lián)諧振電路，將晶體阻抗降至最低并等于Rs，這個(gè)頻率點(diǎn)稱為晶體串聯(lián)諧振頻率?s，低于?s晶體是電容性的。

隨著頻率增加到該串聯(lián)諧振點(diǎn)以上，晶體的行為就像一個(gè)電感，直到頻率達(dá)到其并聯(lián)諧振頻率?p。

在這個(gè)頻率點(diǎn)，串聯(lián)電感Ls和并聯(lián)電容器Cp之間的相互作用產(chǎn)生了一個(gè)并聯(lián)調(diào)諧的LC諧振電路，因此晶體兩端的阻抗達(dá)到了最大值。

因此，根據(jù)電路特性，石英晶體可以用作電容、電感、串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路，為了更清楚地說明這一點(diǎn)，我們可以·看下圖晶體電抗與頻率的關(guān)系。

2）晶振電抗頻率

如下圖所示，電抗與上述頻率的斜率表明，頻率?s處的串聯(lián)電抗與Cs成反比，因?yàn)榈陀?s和高于?p晶體呈現(xiàn)電容性。

在頻率?s和?p之間，由于兩個(gè)并聯(lián)電容抵消，晶體呈現(xiàn)電感性。晶振電抗頻率圖如下：

3）串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率

根據(jù)下圖的等效電路圖可以得出串聯(lián)諧振頻率：晶振等效電路圖如下：

4）晶體振蕩器Q因子：

晶振在串聯(lián)諧振頻率下的Q因子為：

高Q因子值還有助于晶體在其工作頻率下的更高頻率穩(wěn)定性，使其成為構(gòu)建晶體振蕩器電路的理想選擇。

晶體的厚度不平行或不均勻，它可能具有兩個(gè)或多個(gè)諧振頻率，都具有產(chǎn)生所謂的諧波的基頻和諧波，例如二次或三次諧波。影響晶振振蕩頻率的主要因素

5）工作點(diǎn)變化

對(duì)于晶振來說，工作點(diǎn)的穩(wěn)定性需要更高的考慮。

（1）溫度變化：振蕩電路中的振蕩電路包含各種元件，例如電阻、電容和電感。它們的所有參數(shù)都取決于溫度，由于溫度的變化，它們的值會(huì)受到影響，這就會(huì)影響到振動(dòng)電路頻率的變化。

（2）電源影響：供電功率的變化會(huì)影響頻率，電源變化導(dǎo)致Vcc變化，從而影響所產(chǎn)生的振蕩頻率。

（3）輸出負(fù)載變化：輸出電阻或輸出負(fù)載的變化會(huì)影響振蕩器的頻率。當(dāng)連接負(fù)載時(shí)，儲(chǔ)能電路的有效電阻會(huì)發(fā)生變化。

（4）元件間電容的變化：元件間電容是在二極管和晶體管等PN結(jié)材料中產(chǎn)生的電容，由于它們?cè)诓僮鬟^程中存在的電荷而產(chǎn)生的。

由于溫度、電壓等各種原因，元件間電容會(huì)發(fā)生變化。不過這個(gè)問題可以通過跨過有問題的元件間電容連接電容來解決。

（5）Q值：振蕩器中的Q（品質(zhì)因數(shù)）值必須很高。調(diào)諧振蕩器中的Q值決定了選擇性。由于該Q與調(diào)諧電路的頻率穩(wěn)定性成正比，因此Q值應(yīng)保持較高。如果Q值的變化，將會(huì)影響到頻率穩(wěn)定性。

6）晶振為什么要加電容？

為了要滿足諧振的條件。晶振的標(biāo)稱值在測(cè)試時(shí)有一個(gè)“負(fù)載電容”的條件，在工作時(shí)滿足這個(gè)條件，振蕩頻率才與標(biāo)稱值一致，也就是說，只有連接合適的電容才能滿足晶振的起振要求，晶振才能正常工作。

? 在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，貼片晶振需要做兩種處理：

1、周圍包地的處理 --防止；

2、挖空晶振下方的平面層 -- （1）因?yàn)榫д竦膬蓚€(gè)焊盤與其下方的地平面存在著寄生電容（C=εs/4πkd，寄生電容值與焊盤到平面的距離d成反比），會(huì)導(dǎo)致晶振振蕩偏離，影響晶振正常工作；（2）溫度也會(huì)影響頻偏，挖空可以隔絕熱傳導(dǎo)，避免周圍的PMIC或者其他發(fā)熱體的熱量透過銅皮傳導(dǎo)到晶振，從而抑制熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的頻偏；

8、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲

1）工作原理為：

在常溫下保持較低的電阻值，當(dāng)溫度升高(因電流過大或者周圍環(huán)境溫度上升引起)超過臨界溫度值時(shí)，內(nèi)部晶體熔化使結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成電阻值急劇上升到MΩ,從而對(duì)電路形成阻斷，達(dá)到電路保護(hù)的目的。如果溫度恢復(fù)正常，聚合物重新冷卻結(jié)晶，導(dǎo)電顆粒再度形成導(dǎo)電通路，電阻又將降到極低的水平。

2）快熔斷和慢熔斷保險(xiǎn)絲應(yīng)用？

純阻性電路（沒有或很少浪涌）或需要保護(hù)IC等敏感器件的電路中必須采用快熔斷保險(xiǎn)絲；

而容性或感性電路（開關(guān)機(jī)時(shí)有浪涌）、電源輸入輸出部分最好采用慢熔斷保險(xiǎn)絲。

除了保護(hù)IC的電路外，大部分使用快熔斷保險(xiǎn)絲的場(chǎng)合都能夠改用慢熔斷保險(xiǎn)絲，使其提高抗干擾能力。但是在使用慢熔斷的地方若改用快熔斷，會(huì)造成開機(jī)斷保險(xiǎn)絲的現(xiàn)象。

電源模塊在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)有浪涌電流或沖擊電流，即部分電路在開關(guān)瞬間電流會(huì)比平時(shí)高出好幾倍，一般電流峰值很高，出現(xiàn)時(shí)間短。正常的普通保險(xiǎn)絲是承受不了這種電流的，如果使用了會(huì)導(dǎo)致電路無法正常啟動(dòng)，換成大規(guī)格的電流保險(xiǎn)絲會(huì)導(dǎo)致電路中出現(xiàn)過載電流時(shí)無法起保護(hù)作用。因此，選擇慢斷保險(xiǎn)絲可以解決這個(gè)問題，避免了模塊因在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的瞬間電流超過其限定值，不在啟動(dòng)瞬間熔斷，而是連續(xù)超過限定值才熔斷。需要注意的是保險(xiǎn)絲取太小容易引起誤熔斷，取太大了無法起保護(hù)，容易引起一個(gè)電路輸入短路而導(dǎo)致電源供電中斷。

3）保險(xiǎn)絲選擇指南：

保險(xiǎn)絲也稱為電流保險(xiǎn)絲，在IEC127標(biāo)準(zhǔn)中定義為“熔斷體”。主要起到過載保護(hù)的作用。如果在電路中正確放置保險(xiǎn)絲，當(dāng)電流異常上升到一定高度并發(fā)熱時(shí)，保險(xiǎn)絲會(huì)自爆切斷電流，從而保護(hù)電路的安全運(yùn)行。

（1）工作電流：為避免誤燒，工作電流通常降低25%。例如，熔斷器的額定電流為10A，通常建議工作電流不超過7.5A。

（2）工作電壓：熔斷器的額定電壓應(yīng)大于或等于有效電路電壓。

審核編輯：黃飛

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