二極管和電容組成的鉗位電路

原文來自公眾號(hào)：工程師看海

二極管限幅電路可以削掉一部分信號(hào)，但不會(huì)影響剩余信號(hào)。今天，我們將學(xué)習(xí)另一種基于二極管的電路，該電路可以在不改變輸入信號(hào)波形形狀的前提下將輸入波形抬升或拉低到某個(gè)直流參考電平之上或之下，該電路被稱為二極管 “鉗位（Clamper）” 電路。鉗位電路也被稱為直流恢復(fù)電路（DC restorer）。

鉗位電路整體分為兩類：

正向鉗位電路（Positive Clampers）

負(fù)向鉗位電路（Negative Clampers）

正向鉗位電路：這種類型的鉗位電路正向移動(dòng)輸入信號(hào)波形，結(jié)果就是波形位于直流參考電平之上。

負(fù)向鉗位電路：這種類型的鉗位電路負(fù)向移動(dòng)輸入信號(hào)波形，結(jié)果就是波形位于直流參考電平之下。

鉗位電路中二極管的方向決定了鉗位電路的類型。

正向鉗位電路

正向鉗位器的電路如下圖所示:

在這里，電路由三個(gè)主要器件組成：

電容器

二極管

負(fù)載電阻

二極管和負(fù)載電阻并聯(lián)，即二極管的負(fù)極（cathode）連接到電容，正極（anode）連接到地。

在設(shè)計(jì)鉗位電路時(shí)，必須選擇合適的電容值和負(fù)載電阻值，以使得 τ=RC（時(shí)間常數(shù)）足夠大，以確保在二極管截止期間電容兩端的電壓不會(huì)明顯放電。在本文中，我們假設(shè)時(shí)間常數(shù) τ ≥ 5T（T表示輸入信號(hào)的周期）。

假設(shè)上電時(shí)，輸入信號(hào)處于正半周，那么此時(shí)輸出信號(hào)基本等于輸入信號(hào)，因?yàn)榇藭r(shí)電容正在通過阻值較大的負(fù)載電阻 RL 緩慢充電，電容兩端的壓降為 0，整個(gè)電路的壓降全部落在了 RL 上。

一旦輸入波形信號(hào)切換到負(fù)半周，則二極管正向偏置，相當(dāng)于一段導(dǎo)線。結(jié)果，由于二極管導(dǎo)通電阻很小，電容迅速充電至輸入信號(hào)電壓，我們稱其為 Vc。在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)：

此期間的輸出為 0V，因?yàn)槎O管閉合相當(dāng)于短路。此外，請(qǐng)注意，在此期間，電容器將快速充電至接近于輸入信號(hào) “V” 的值，因?yàn)橛捎诙O管導(dǎo)通時(shí)的有效電阻很小，時(shí)間常數(shù) RC 將非常小。請(qǐng)注意電容器充滿電時(shí)的極性。

一旦輸入信號(hào)切換到正半周，二極管將被反相偏置。在此期間，二極管將處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開路：

在正半周期間，充滿電但放電很慢的電容相當(dāng)于一塊電池，輸入信號(hào)也相當(dāng)于一塊電池，整個(gè)電路的電源部分相當(dāng)于兩塊電池串聯(lián)：

因此，輸出電壓是施加的輸入電壓和存儲(chǔ)在電容器中的電荷之和：

Vout = Vin + Vc

Vc 是輸入峰值電壓。從上述等式可以明顯地看到，上述電路為輸入電壓信號(hào)增加了一個(gè)正向直流偏置 Vc。

正半周期間當(dāng)輸入信號(hào) Vin 到達(dá)其峰值時(shí)， Vin = Vc, 則：

Vout = Vin + Vc = 2Vc

我們使用下面的電路測試正向鉗位電路：

焊接好后的電路如下：

輸入輸出波形如下：

黃色是輸入波形，青色是輸出波形?？梢钥吹捷敵龊蟮牟ㄐ伪徽w抬升了，抬升幅度約為 2V。輸出波形的低電平約為 0.6V, 那是由于二極管 1N4148 對(duì)地壓降造成的, 抬升前平均電壓為 0V， 抬升后平均電壓為 1.4V 左右。

偏置正向鉗位電路

可以給鉗位電路加一個(gè)偏置電壓，這會(huì)進(jìn)一步抬升輸出波形：

此處給電路添加了直流偏置電源 Vdc, 它的負(fù)極連接到地，而它的正極連接到二極管的正極。

跟前面不帶偏置的電路一樣，假設(shè)上電時(shí)，輸入信號(hào)處于正半周，那么此期間輸出信號(hào)基本等于輸入信號(hào)。

一旦輸入信號(hào)切換到負(fù)半周，二極管導(dǎo)通, 等效電路如下：

在此期間，負(fù)載電阻與偏置電壓 Vdc 直接并聯(lián)，因此在此期間，輸出電壓等于 Vdc。此外，在此期間，輸入信號(hào) Vin 和偏置電源 Vdc 相當(dāng)于兩塊串聯(lián)的電池給電容充電。請(qǐng)注意電容電荷的極性。

使用 基爾霍夫電壓定律（KVL） , 我們可以確定電容中存儲(chǔ)了多少電荷。

我們從下面的地開始沿著順時(shí)針方向分析，即繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針。先遇到輸入信號(hào)電壓 Vin, 下面電壓高上面電壓低，即沿著繞行方向看降壓，記為-Vin,。再遇到電容，左邊負(fù)，右邊正，沿著繞行方向升壓，記為Vc。再遇到偏置電壓 Vdc, 沿繞行方向降壓，記為-Vdc。應(yīng)用 KVL 可列等式：

-Vin + Vc - Vdc = 0

移項(xiàng)可得：

Vc = Vin + Vdc

可見，負(fù)半周期間，電容電壓將充電至 Vin + Vdc 。

當(dāng)輸入信號(hào)切換到正半周，二極管將進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，因?yàn)樗鼤?huì)被輸入反向偏置。在此期間，二極管截止，使直流電源 Vdc 對(duì)電路沒有影響:

輸出電壓 Vout = Vin + （Vin +Vdc） = 2Vin + Vdc。

我們使用下面的電路測試正向偏置電路：

當(dāng)偏置電壓為 1V 時(shí)波形如下：

黃色是輸入波形，青色是輸出波形?？梢钥吹狡渥钚≈怠⑵骄刀急惹懊姹惹懊鏇]有偏置的電路增大了 1V 左右。

當(dāng)偏置電壓為 2V時(shí)波形如下：

可以看到其可以看到其最小值、平均值都比前面比前面沒有偏置的電路增大了 2V 左右。

總結(jié)

今天我們學(xué)習(xí)了二極管、電容組成的鉗位電路。其基本原理是，先將電容充電至輸入電壓最大值，然后再將充滿電的電容和輸入電壓串聯(lián)，從而提高輸出電壓。

審核編輯：湯梓紅