钳位二极管原理

在图1中，若忽略二极管正向导通压降，则可认为Pin点电位范围被限制在[GND,VDD]。

假设二极管D1和D2的正向导通压降都是uD，反向击穿电压大于VDD uD，Pin点的电位记作Upin，则：

1. ①当Pin点的电位Upin ≥ (VDD uD)时，此时D1会导通而将Pin点的电位限制在VDD uD，D2截止；②当Pin点的电位在范围(GND-uD) < Upin < (VDD uD)时，D1截止，D2截止；③当Pin点的电位Upin ≤ (GND-uD)时，D1截止，D2会导通而将Pin点的电位限制在GND-uD。

2. 综上所述，Pin点的电位范围会被限制在(GND-uD) ≤ Upin ≤ (VDD uD)。若VDD=5V、GND=0V、uD=0.7V，则Pin点电位范围被限制在 -0.7V ≤ Upin ≤ 5.7V；若忽略D1和D2的正向导通压降，则可认为Pin点电位范围被限制为 0V ≤ Upin ≤ 5V。

在分析钳位二极管时，钳位二极管其中的一端所接的电位必须是恒压的，即假设该端的电位不会发生变化，作为参考电位端。而另一端则为被钳端，该端的电位是会发生改变的，是需要进行限制的端。通过二极管的钳位作用将被钳端的电位强制拉向参考端，这就称之为钳位。

钳位与稳压的区别：钳位是将某点的电位进行限制，使其不大于或者不小于参考端的值，该点的电位是可变的，是利用二极管的正向导通特性来进行钳位。稳压是将某点的电位稳定在某个恒定的值，电位不可改变，是利用二极管的反向击穿特性来进行稳压。

图1为中点钳位三电平逆变器的拓扑结构。

该拓扑结构包括两个串联的电容C₁，C₂，两电容之间的点称为中点Z，因此中点钳位型逆变器也被称作二极管钳位逆变器；每一相包含四组IGBT/Diode（绝缘栅门极晶闸管/二极管）T_x1、T_x2、T_x3和T_x4；两个钳位二极管D_x5和D_x6（x=a，b，和c）。

根据拓扑结构可以看出来，中点钳位三电平逆变器的一个很重要的问题就是：中点电压平衡问题。理想的情况下，直流电容C₁，C₂的电压均为E（E为直流电压源V_dc的1/2），但是流过中点Z的电流对电容充电或者放电，加之电容保持电压的能力有限，会导致电容C₁，C₂的电压发生变化。工况恶劣时，会导致上下两电容电压差过大，输出电压电流波形畸变，甚至损坏功率半导体器件 。

推挽电路使用两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中。电路工作时，两只对称的开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

推挽输出常见的是图腾柱输出。

“图腾柱输出”常用于数字电路（如TTL）中。由于TTL与非门使用两个垂直堆砌的同类型晶体管，中间用一个钳位二极管隔开，与图腾柱的结构相类似，因此其输出级被称为图腾柱输出。

开漏形式的电路有以下几个特点：

1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。

2. 一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度 。阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）

3. OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

4. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。补充：什么是“线与”？：

在一个结点(线)上， 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D， 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上， 只要有一个晶体管饱和， 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS)，晶体管就会饱和， 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器， 就是或 OR 逻辑.

其实可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。