穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管，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的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。
上面都是抄的。實(shí)際使用穩(wěn)壓二極管的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，穩(wěn)壓二極管并不是能夠理想的將電壓箝位到穩(wěn)壓值。例如下圖所示：
前段采集到信號(hào)之后使用運(yùn)放放大之后輸入到單片機(jī)的ADC中去，只看輸出電路：
電容C17是采樣保持電容，不用管。電阻R31和穩(wěn)壓管D9組成穩(wěn)壓電路，按道理來(lái)說(shuō)如果輸出的電壓大于3.3V的話會(huì)被穩(wěn)壓二極管箝位到3.3V，但是現(xiàn)實(shí)不是這樣的，穩(wěn)壓二極管有自己的特性曲線，把電路中的1N4728穩(wěn)壓管換成BZT52C3V3來(lái)說(shuō)明
我截取圖如下：
我們看C3V3那條曲線，可以看出來(lái)當(dāng)穩(wěn)壓二極管的電流為0的時(shí)候，齊納電壓為1.8V左右，也就是說(shuō)當(dāng)我的電路上的限流電阻R31的阻值無(wú)限大的時(shí)候通過(guò)二極管的電流近乎為0，輸出電壓為1.8V左右。當(dāng)電阻R31的阻值很小的時(shí)候不考慮前段輸出的內(nèi)阻的情況下通過(guò)二極管的電流非常大，這時(shí)候輸出的電壓能夠達(dá)到3.5V到4.0V之間。顯然上訴兩種情況中穩(wěn)壓二極管都沒(méi)有很好的發(fā)揮自己的職責(zé)，按道理我需要的是一個(gè)特性曲線如下圖紅線的穩(wěn)壓二極管：
當(dāng)前端輸入電壓小于3.3V時(shí)，穩(wěn)壓管的輸出和前端輸入保持一致，當(dāng)前端輸入電壓大于3.3V時(shí)，穩(wěn)壓管輸出3.3V電壓?，F(xiàn)實(shí)是沒(méi)有這樣理想的穩(wěn)壓二極管。我們只能做出妥協(xié)。
假設(shè)上面的原理圖中輸入電壓為Uo，穩(wěn)壓管的電壓為Ui，R31的阻值為R，通過(guò)二極管的電流為i，這時(shí)候可以得到一個(gè)公式：
i = (Uo - Ui) / R
變形等到i關(guān)于Ui的方程：
i = (-1/R) * Ui + Uo/R
這個(gè)方程在穩(wěn)壓管的特性曲線上繪制出來(lái)：
方程的截距為Uo/R，即短路穩(wěn)壓管時(shí)的電流。方程與X軸的交點(diǎn)為Ui=Uo。這條直線和C3V3曲線的焦點(diǎn)就是穩(wěn)壓管的工作點(diǎn)。但是我們的方程還沒(méi)有確定，因?yàn)閁o和R的值沒(méi)有定下來(lái)。我們知道前端輸入的電壓是有運(yùn)放輸出的，運(yùn)放的工作電壓為5V，所以運(yùn)放的輸出電壓最大不會(huì)超過(guò)5V，這樣我們假設(shè)Uo的范圍在0到5V之間。
然后由于我們的單片機(jī)系統(tǒng)的AD部分的參考電壓是3.3V，我們希望穩(wěn)壓管的輸出電壓不要超過(guò)3.3V，我們需要上面的方程和特性曲線的交點(diǎn)不能大于3.3V，假設(shè)正好交點(diǎn)就是3.3V，這時(shí)候通過(guò)穩(wěn)壓管的電流為5mA（穩(wěn)壓管數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的Test Current），當(dāng)我們的方程正好通過(guò)此點(diǎn)的時(shí)候：
穩(wěn)壓管的輸出電壓正好是3.3V，我稱這個(gè)點(diǎn)為參考點(diǎn)。若方程與曲線的交點(diǎn)在參考點(diǎn)下面的話，穩(wěn)壓管的輸出電壓小于3.3V，若方程與曲線的交點(diǎn)在參考點(diǎn)上面的話，穩(wěn)壓管的輸出電壓大于3.3V，對(duì)單片機(jī)會(huì)造成影響，甚至是燒毀。
輸出電壓高于3.3V是非正常的狀態(tài)，正常狀態(tài)下運(yùn)放傳過(guò)來(lái)的電壓是小于等于3.3V的，并且我們需要運(yùn)放的輸出電壓Uo和穩(wěn)壓管的輸出電壓在小于3.3V的時(shí)候是相等的Uo=Ui，當(dāng)運(yùn)放的輸入電壓小于等于3.3V的時(shí)候，方程與X軸的交點(diǎn)為Ui≤3.3V，這時(shí)候方程與曲線的交點(diǎn)永遠(yuǎn)小于參考點(diǎn)，因?yàn)榉匠滩豢赡苁秦Q直的，交點(diǎn)處的Ui小于3.3V，也就是說(shuō)我們運(yùn)放輸出了3.3V，穩(wěn)壓管輸出電壓輸出小于3.3V，這時(shí)候?qū)е滦盘?hào)失真，也就是輸入信號(hào)和輸出信號(hào)不一致，這在AD采集系統(tǒng)中是絕對(duì)不允許的，因?yàn)椴钜稽c(diǎn)電壓表示的是對(duì)應(yīng)測(cè)量值的改變。
那么遇到這個(gè)問(wèn)題怎么辦呢？我們剛才發(fā)現(xiàn)了一點(diǎn)，特性曲線與X軸的交點(diǎn)不是Ui=0而是Ui=1.8V左右，這時(shí)候當(dāng)我們的運(yùn)放傳過(guò)來(lái)的電壓小于1.8V的時(shí)候Uo和Ui的值是相同的，就是說(shuō)沒(méi)有信號(hào)失真的發(fā)生：
可以看到方程和曲線的交點(diǎn)永遠(yuǎn)在X軸上，也就是Ui = Uo。但是這樣做使我們的量程縮小了，從0到3.3V縮小到.倒1.8V，AD檢測(cè)精度降低了，這是一種妥協(xié)，沒(méi)有辦法，除非不用穩(wěn)壓管，但是為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還是在穩(wěn)定性和精度上進(jìn)行一個(gè)平衡！當(dāng)然了，可以選取特性曲線好一點(diǎn)的穩(wěn)壓管（更貴），這時(shí)候穩(wěn)壓管特性曲線與X軸的交點(diǎn)可能是2.0V以上了。
當(dāng)然了，也可以耍耍小聰明，我們觀察特性曲線可以看到3.9V穩(wěn)壓管的特性曲線C3V9，與X軸的交點(diǎn)處Ui大約為3V，當(dāng)穩(wěn)壓管的電流約為1mA的時(shí)候Ui為3.3V左右，也就是我們可以用3.9V的穩(wěn)壓管來(lái)做穩(wěn)壓，方程圖如下：
這里寫(xiě)圖片描述
正常情況下，運(yùn)放輸出電壓在3.3V范圍內(nèi)，方程與曲線的交點(diǎn)在X軸上，參考下面那條紅線。超出3.3V的時(shí)候，為了保證方程和曲線的交點(diǎn)在參考點(diǎn)的下方，我們需要將方程的斜率降低，這樣才能使得方程與曲線交點(diǎn)滿足Ui≤3.3V，方程的斜率是（-1/R），降低斜率就是增大R值，一切變簡(jiǎn)單了，我們可以使用3.9V的穩(wěn)壓管，然后增大R31的阻值即可。大致我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ui=3.3V的時(shí)候，i為1mA左右，我們將這個(gè)點(diǎn)帶入到方程：
1mA = -3.3/R + Uo/R
Uo取最大值5V的時(shí)候計(jì)算出來(lái)R=1700歐姆。也就是說(shuō)當(dāng)R大于等于1700歐姆（取2K保險(xiǎn)起見(jiàn)），Uo小于等于5V的時(shí)候，方程和曲線的交點(diǎn)恒小于參考點(diǎn)。同時(shí)這時(shí)候我們的不失真電壓范圍為0到3V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用3.3V穩(wěn)壓管時(shí)的0到1.8V。
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