引言：Zener常用于在可能發(fā)生電壓波動的地方進行穩(wěn)壓（鉗位），比如驅(qū)動IGBT，F(xiàn)ET等等，因此Zener既可以視作功能器件，也可以視作保護器件，本節(jié)簡述Zener（齊納二極管）的一些使用方法和使用場景。

1.穩(wěn)壓

Zener通常用于產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，在圖4-1中，ZD1通過串聯(lián)電阻器連接到電壓源，負載電阻器Rload并聯(lián)連接到Zener，該負載也可以是需要穩(wěn)定電源電壓的復(fù)雜電子電路。

圖4-1：Zener的簡易穩(wěn)壓器

對于預(yù)期的可能最高負載電流，必須選擇串聯(lián)電阻器R1的值，剩余電流也流過Zener，通過Zener的最小電流應(yīng)確保二極管在反向?qū)ǖ亩盖蛥^(qū)域中工作，數(shù)據(jù)表中測量的Vz電流是一個很好的參考數(shù)據(jù)，這意味著對于高達17V的Vz值約為5mA，對于具有高齊納電壓的Zener約為2mA。

R1耗散的功率為：

如果沒有連接負載，Zener具有最大的功耗，在這種情況下，通過R1的所有電流都流過二極管：

圖4-1所示的基本穩(wěn)壓器電路用于低功率要求，對于具有更高功率要求的負載電路，當(dāng)負載關(guān)斷時，全部電流通過R1，Zener也會發(fā)熱，導(dǎo)致無效功耗，或者如果在使用過程中負載電流消耗下降，則會產(chǎn)生較多的熱量。圖4-2中的電路顯著改善了這一點，ZD1通過R1被擊穿穩(wěn)壓，雙極晶體管Q1的基極連接到ZD1兩端的穩(wěn)定電壓，Rload處的輸出電壓根據(jù)以下等式確定：

如果假設(shè)基極電流只是通過R1的電流的一小部分，Zener中的功耗幾乎與負載電流無關(guān)。對于大約5V的輸出電壓，電路具有相當(dāng)好的熱穩(wěn)定性，因為大約?2.0mV/K的齊納電壓的熱系數(shù)通過具有非常相似系數(shù)的VBE的降低來補償。

圖4-2：帶雙極晶體管和齊納二極管參考電壓的穩(wěn)壓器

2. 箝位

大家需要注意一點，箝位和穩(wěn)壓是兩個不同的概念，穩(wěn)壓是需要Zener一直工作在擊穿區(qū)，而箝位則是當(dāng)遇到浪涌電壓時能及時擊穿箝住電壓水平。Zener的另一個重要應(yīng)用就是箝位不期望的過電壓。在圖4-3描述了一個簡單的負載開關(guān)，MOSFET的柵極氧化物對過電壓很敏感。FET的內(nèi)部ESD二極管不應(yīng)用于箝位，因為在這種情況下，柵極-源極電壓VGS高于數(shù)據(jù)表限制數(shù)值，ESD二極管的擊穿電壓高于規(guī)定的VGS額定值。在示例中，P-FET切換負載電流，一旦柵極相對于源極具有負電壓，F(xiàn)ET就會導(dǎo)通。如果開關(guān)S1導(dǎo)通，并聯(lián)ZD1的R2和R1的分壓器將柵極電壓固定，高于VGSth，柵極處的電壓由ZD1限制為在具有一定安全裕度的FET的VGS額定值內(nèi)的電平。柵極電壓可以通過不帶Zener的電阻分壓器進行調(diào)節(jié)，但是在這種情況下，如果VIN涌入過電壓，則電路是不安全的。一旦負載開關(guān)斷開，電阻器R1就必須用于柵極放電，S1通常使用N-FET或BJT來實現(xiàn)。

圖4-3：帶有P-FET和Zener的負載開關(guān)，用于柵極電壓箝位

3.保護

圖4-4Q1正在切換電感負載，電感沒有續(xù)流二極管。一旦開關(guān)斷開，電流還會繼續(xù)流動，L1產(chǎn)生的電壓高到足以擊穿FET的漏極D-源極S路徑。

圖4-4：反向電動勢的擊穿隱患

圖4-5是保護MOSFET的另一種解決方案，在FET的漏極和柵極之間添加Zener的情況下，F(xiàn)ET可以再次略微導(dǎo)通，從而不會超過VDS額定值。FET在線性模式下短時間運行，并且存儲在電感器中的能量在相對短的時間內(nèi)耗散在FET中。與L1并聯(lián)的簡單續(xù)流二極管相比，漏極-源極路徑上的較高電壓損耗會讓電感器中存儲的較高功率能量更快衰減。

圖4-5：用Zener保護感性負載的開關(guān)

4.交流箝位

Zener可以用于所有箝位類型的應(yīng)用，其中電壓電平必須被箝位或保持在極限以下。圖4-6顯示了交流電源的電平限制器，對于正弦波源，最大值和最小值被對稱地削波到VZ+VF。

圖4-6：Zener對交流電壓的電平限幅示例

圖4-7是1kHz正弦波電壓源通過220Ω電阻提供給兩個VZ為5.6V的Zener的SPICE模擬結(jié)果。兩個Zener串聯(lián)連接，陽極連接（如 圖4-6 ），可以看出，削波電平比VZ高大約0.6V。使用類似的方法，Zener通常用于信號線的ESD和浪涌脈沖保護，通過電壓限幅功能，它們可以防止可能危及和損壞電子電路的過電壓。

圖4-7：對1kHz正弦波的對稱削波

5.電壓基準

Zener經(jīng)常被用作電壓基準，圖4-8顯示了一個示例，其中運算放大器用作非反相緩沖器，ZD1提供穩(wěn)定的參考電壓，作為連接的電子負載的低阻抗輸出電壓。與圖4-1所示的電路相比，可以選擇通過Zener的電流較小。為了在低齊納電流下以窄的VZ擴展來支持這種應(yīng)用，提供了專用的低電流Zener產(chǎn)品。這些元件的額定電流為50uA，而不是標準Zener使用的5mA額定電流。如果標準Zener用于低電流應(yīng)用，則應(yīng)提前對零件進行測試，以便按要求箝位。

圖4-8：Zener作為運算放大緩沖器的參考電壓

無論選擇哪家產(chǎn)品，在某些特殊的齊納電壓下，都可能出現(xiàn)雪崩效應(yīng)，但會有一些延遲，因此對于非常小的電流Iz，可能會出現(xiàn)如圖4-9所示的噪聲。如果Zener晶體摻雜有金或鉑，這些雜質(zhì)可以在低偏置電流下提供雪崩擊穿所需的載流子，這確保了即使在低雪崩電流的情況下，雪崩擊穿也能安全準確地發(fā)生。

作為檢查Zener在低電流下可靠工作的實驗，可以將高阻抗（如1MΩ）與Zener串聯(lián)，當(dāng)使用示波器測量VZ時，由電流源產(chǎn)生的低電流通過二極管，圖4-9顯示了這種不利的延遲。

圖4-9：Iz=30uA的75V-Zener的VZ，通過1MW阻抗供電，顯示了不穩(wěn)定的雪崩效應(yīng)