5、二極管

1）二極管是常用的基礎元器件，作用：防反、整流、穩壓、續流、檢波、倍壓、鉗位、包絡線檢測。

（1）防反作用

在主回路中，串聯一個二極管，是利用二極管的單向導電的特性，實現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合，類似小玩具等。因為二極管導通會有一個0.7V（硅管）的導通壓降，如果實際電流很大的話，那么就會產生一個熱損耗，會導致發熱。而且如果反接的電壓很大的話，超過反向截止電壓，也會擊穿二極管本身，導致二極管失效，起不到防反接的功能，從而不能起到保護后級電路的作用了。

（2）整流作用

整流電路是將交流電轉換成單向脈動性直流電，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。經過整流電路之后的電壓已經不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習慣上稱單向脈動性直流電壓。

（3）穩壓作用

具備穩壓作用的二極管叫做穩壓二極管，英文名稱Zener diode，又叫齊納二極管。利用PN結反向擊穿狀態，其電流可在很大范圍內變化而電壓基本不變，其基本電路結構如下圖所示。

（4）續流作用

續流二極管都是并聯在線圈兩端，當線圈通過電流時，會在其兩端產生感應電動勢。當電流消失時，其感應電動勢會對電路中的原件產生反向電壓。當反向電壓高于原件的反向擊穿電壓時，會把元器件如三極管等造成損壞。續流二極管并聯在線兩端，當流過線圈中的電流消失時，線圈產生的感應電動勢通過二極管和線圈構成的回路做功而消耗掉。從而保護了電路中的其它元件的安全。

可做續流的二極管有：

普通二極管中：1N4007

快恢復二極管：FR107、1N4148

肖特基二極管：1N5819

（5）檢波作用

峰值檢波電路是對輸入信號幅值的最大值進行檢測，其工作原理是：當輸入電壓幅度大于二極管正向電壓時，二極管導通，輸出電壓加在電容C1上，電容兩端充電完畢，當輸入電壓幅值低于先前輸入電壓幅值時，二極管處于反偏截止狀態。此時，電容兩端的電壓基本保持不變；若再輸入信號，輸入電壓幅度必須高于此時電容兩端的電壓，即加在二極管的正向電壓，二極管才能導通。

（6）倍壓作用

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

電源正半周時，電容C1上的電壓疊加電源電壓，使二極管D2導通，二極管D1截止，電容C2上正下負，峰值電壓可達2倍電源的峰值電壓，即實現二倍壓，該半周期時電流走向如下圖中桔色箭頭所示。

（7）ADC檢測口電壓鉗位作用

在一些ADC檢測電路中會用兩個二極管進行鉗位保護，原理很簡單，0.7V為D1和D2的導通壓降，Vin進來的電壓大于等于3.3V+0.7V時，D35導通，Vout會被鉗位在4V；Vin小于等于-0.7V時，Vout被鉗位在-0.7V左右。

2）TVS&ESD保護二極管

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

（1）TVS和 EDS區別：

? 當TVS管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護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移。ESD是20世紀中期以來形成的以研究靜電的產生、危害及靜電防護等的學科，因此，國際上習慣將用于靜電防護的器材統稱為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，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保護二極管，主要應用于板級保護；TVS二極管用于初級和次級保護。

? 選用ESD靜電二極管時，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，看的是功率和封裝形式；在實際應用中，二者通常相輔相成，緊密相連，各自發揮優勢，更有效地為電路安全保駕護航！

（2）參數解析：

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 認為是不工作的，即是不導通的。

IR：漏電流，也稱待機電流。在規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量，對于某一型號TVS，IR 應在規定值范圍內。

2）VBR 擊穿電壓

VBR：擊穿電壓，指在V-I 特性曲線上，在規定的脈沖直流電流IT或接近發生雪崩的電流條件下測得TVS 兩端的電壓。對于低壓TVS，由于漏電流較大，所以測試電流選取的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，施加規定波形的峰值脈沖電流IPP 時，TVS 兩端測得的峰值電壓。

IPP 及VC 是衡量TVS 在電路保護中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數，這兩個參數是相互聯系的。對于TVS 在防雷保護電路中的鉗位特性，可以參考VC這個參數。對于相同型號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，同型號的TVS，IPP越大，耐脈沖電流沖擊能力越強。

（3）保護管選型方式

? TVS器件選型

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

（2）再其次確定待防護電路的直流電壓或持續工作電壓。如果是交流電，應計算出最大值，即用有效值*1.414。

（3）根據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會導致TVS反向漏電流增大，接近導通，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不能大于被防護電路可以承受的最大電壓。否則，當TVS鉗在Vc時會對電路造成損壞。

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

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

這個時候需要參考TVS的正向導通峰值電流，Ifsm。5.0SMDJ系列的最大正向導通電流為300A。

? ESD器件選型

（1）計算接口信號幅值的范圍來確定ESD器件的工作電壓；

（2）根據信號類型決定使用單向或者雙向ESD器件;

（3）根據信號速率決定該接口能承受的最大寄生電容；

（4）根據電路系統的最大承受電壓沖擊，選擇適合的鉗位電壓；

（5）確保ESD器件可達到或超過IEC 61000-4-2 level4。

? 例如USB2.0接口保護電路：

TVS 的截止電壓（Vrmw）應大于被保護電路的最高工作電壓；

TVS 鉗位電壓（VC）應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態安全電壓；

6、三極管和MOS管

肖特基二極管是二極管，特點是低功耗、超高速、反向恢復時間極短、正向壓降小，適合做整流電路；

場效應管是三極管，特點是輸入阻抗高、噪聲小、功耗低、漏電流小，開關特性好，適合做放大電路或開關電路。

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的電子振蕩器電路，即當電場施加在某些材料上時，它會產生機械變形。因此，它利用壓電材料的振動晶體的機械共振來產生具有非常精確頻率的電信號。

1）晶振阻抗頻率：

晶體的等效阻抗具有串聯諧振，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。除了這個串聯頻率之外，當Ls和Cs與并聯電容器Cp諧振時產生并聯諧振，如下圖所示，還建立了第二個頻率點。

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，串聯電容器Cs和電感器Ls之間的相互作用產生了一個串聯諧振電路，將晶體阻抗降至最低并等于Rs，這個頻率點稱為晶體串聯諧振頻率?s，低于?s晶體是電容性的。

隨著頻率增加到該串聯諧振點以上，晶體的行為就像一個電感，直到頻率達到其并聯諧振頻率?p。

在這個頻率點，串聯電感Ls和并聯電容器Cp之間的相互作用產生了一個并聯調諧的LC諧振電路，因此晶體兩端的阻抗達到了最大值。

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

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處的串聯電抗與Cs成反比，因為低于?s和高于?p晶體呈現電容性。

在頻率?s和?p之間，由于兩個并聯電容抵消，晶體呈現電感性。晶振電抗頻率圖如下：

3）串聯和并聯諧振頻率

根據下圖的等效電路圖可以得出串聯諧振頻率：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定性，使其成為構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，它可能具有兩個或多個諧振頻率，都具有產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）工作點變化

對于晶振來說，工作點的穩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。它們的所有參數都取決于溫度，由于溫度的變化，它們的值會受到影響，這就會影響到振動電路頻率的變化。

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

（3）輸出負載變化：輸出電阻或輸出負載的變化會影響振蕩器的頻率。當連接負載時，儲能電路的有效電阻會發生變化。

（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結材料中產生的電容，由于它們在操作過程中存在的電荷而產生的。

由于溫度、電壓等各種原因，元件間電容會發生變化。不過這個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（品質因數）值必須很高。調諧振蕩器中的Q值決定了選擇性。由于該Q與調諧電路的頻率穩定性成正比，因此Q值應保持較高。如果Q值的變化，將會影響到頻率穩定性。

6）晶振為什么要加電容？

為了要滿足諧振的條件。晶振的標稱值在測試時有一個“負載電容”的條件，在工作時滿足這個條件，振蕩頻率才與標稱值一致，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。

? 在設計PCB時，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）因為晶振的兩個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），會導致晶振振蕩偏離，影響晶振正常工作；（2）溫度也會影響頻偏，挖空可以隔絕熱傳導，避免周圍的PMIC或者其他發熱體的熱量透過銅皮傳導到晶振，從而抑制熱傳導導致的頻偏；

8、自恢復保險絲

1）工作原理為：

在常溫下保持較低的電阻值，當溫度升高(因電流過大或者周圍環境溫度上升引起)超過臨界溫度值時，內部晶體熔化使結構發生改變，造成電阻值急劇上升到MΩ,從而對電路形成阻斷，達到電路保護的目的。如果溫度恢復正常，聚合物重新冷卻結晶，導電顆粒再度形成導電通路，電阻又將降到極低的水平。

2）快熔斷和慢熔斷保險絲應用？

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

而容性或感性電路（開關機時有浪涌）、電源輸入輸出部分最好采用慢熔斷保險絲。

除了保護IC的電路外，大部分使用快熔斷保險絲的場合都能夠改用慢熔斷保險絲，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，會造成開機斷保險絲的現象。

電源模塊在實際應用中，經常會有浪涌電流或沖擊電流，即部分電路在開關瞬間電流會比平時高出好幾倍，一般電流峰值很高，出現時間短。正常的普通保險絲是承受不了這種電流的，如果使用了會導致電路無法正常啟動，換成大規格的電流保險絲會導致電路中出現過載電流時無法起保護作用。因此，選擇慢斷保險絲可以解決這個問題，避免了模塊因在啟動瞬間產生的瞬間電流超過其限定值，不在啟動瞬間熔斷，而是連續超過限定值才熔斷。需要注意的是保險絲取太小容易引起誤熔斷，取太大了無法起保護，容易引起一個電路輸入短路而導致電源供電中斷。

3）保險絲選擇指南：

保險絲也稱為電流保險絲，在IEC127標準中定義為“熔斷體”。主要起到過載保護的作用。如果在電路中正確放置保險絲，當電流異常上升到一定高度并發熱時，保險絲會自爆切斷電流，從而保護電路的安全運行。

（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大于或等于有效電路電壓。

審核編輯：黃飛

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