初级模拟电路：2-5 钳位器

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      钳位器（clamper）可以将输入波形整体上移或下移，“clamper”在 英语中的原意是“夹具”的意思，很形象地说明了它可以把波形任意钳夹在某个电平处。如下图所示：

图 2-5.01 

      钳位电路的核心器件是二极管和电容，下面我们具体分析实现各种钳位的电路图。同样的，为方便分析，我们假设下面的二极管为理想二极管，即导通时理想二极管上的压降为0。

      以下分析的输入电压v_i皆设为正弦电压，表达式为：

 

1.   下钳位电路

（1） 标准下钳位电路

      我们先介绍下钳位电路的标准型，其电路和输出波形如下图所示：

图 2-5.02 

      这个电路的关键点在于，电容C和负载电阻R的值要取的比较大，这样当电容通过R进行放电时，时间常数 τ=RC会比较大，放电过程会非常缓慢。下面我们一步步分析其工作原理：

      （1） 当输入电压v_i从0开始增大时，会给电容C充电，此时二极管正向导通。在C的右边，二极管和电容并联，但由于电阻R值比较大，所以充电电流回路主要从二极管上走。又由于二极管的电阻非常小（理想导通情况下近似短路），所以充电速度极快，我们可以近似认为，电容上的电压几乎就是等于输入电压。充电电流回路如下图所示：

图 2-5.03 

      （2） 当输入电压v_i到达峰值V_m时，电容上的电压也几乎等于这个峰值V_m。之后，当输入电压经过峰值开始下降时，电容上的电压此时超过了输入电压v_i，理论上讲，电容此时应该对输入电源进行放电。但是，如果要放电，则在电容右侧的必须也要形成放电回路，但由于二极管只能单向导通，此路不通，所以放电电流只能从R走，此时二极管截止，相当于断路状态。放电回路如下图所示：

图 2-5.04 

      （3） 前面说过，由于电阻R和电容C的值都取得很大，所以放电速度非常缓慢。当输入电压经过正峰值V_m，再走到负半周，再变正，再回到正峰值V_m前，电容虽然一直在向输入电源放电，但放电速度极其缓慢。所以当输入电压再次达到正峰值V_m时，电容上存储的电压只下降了很小一点点，甚至可以近似认为电容上存储的电压几乎没怎么变化，仍为V_m。而输入电压v_i最大也就到V_m，已经没什么资格给电容充电了。所以可以近似认为，电容上存储的电压，从此一直保持为V_m不变。

      （4） 接着结论就是顺理成章的事情啦，从电路图上可以得出，输出电压v_o的表达式为：v_o=v_i-v_C，根据上面的分析，电容电压v_C一直保持为V_m不变，则输出电压最终可表达为：v_o=v_i-V_m，相当于将输入电压向下平移了V_m。如下图所示：

图 2-5.05 

      （5） 最后再考虑一下非理想二极管的情况。对于非理想二极管，当正向导通时，其上有0.7V的压降。根据上面“图2-5.03”的充电回路可以看出，电容上可充到的电压为：V_m-0.7V，则最终输出电压的表达式为：v_o=v_i-(V_m-0.7V)= v_i-V_m+0.7V

 

（2） 偏置下钳位电路

      从上面的分析可看到，标准下钳位电路只能将输入波形向下平移V_m，那如果我们要向下平移任意电平怎么办？很简单，在二极管上再加个偏置电压，如下图所示：

图 2-5.06 

      只要理解了前面的标准下钳位电路，这个偏置分析就很简单啦，在“下钳位偏置上移电路”中，电容C充电后的维持的电压为：v_c=V_m-V₁，则最终输出电压为：v_o=v_i-v_c=v_i-V_m+V₁。

      在“下钳位偏置下移电路”中，电容C充电后的维持的电压为：v_c=V_m+V₁，则最终输出电压为：v_o=v_i-v_c=v_i-V_m-V₁。

 

2.   上钳位电路

（1） 标准上钳位电路

      上钳位电路的标准型，如下图所示：

图 2-5.07 

      分析也是类似的，这里就简略描述了：一开始当输入电压v_i处于正半周时，二极管截止，v_i通过电阻R形成回路给电容充电，但是由于R非常大，所以充电速度非常缓慢。

      当输入电压进入负半周时，电容上被充的电压几乎为0。此时v_i小于0时，二极管导通，充电电流通过二极管回路开始对电容C快速充电，电容电压最大可充到V_m（注意图中电容电压的正负方向），从此电容电压V_m保持不变。输出电压为：v_o=v_i+v_c=v_i+V_m，相当于将输入电压上移了V_m。

 

（2） 偏置上钳位电路

      上钳位电路也可以加偏置电压，达到上移任意电平的效果，如下图所示：

图 2-5.08 

      在“上钳位偏置上移电路”中，电容C充电后的维持的电压为： v_c=V_m+V₁，则最终输出电压为：v_o=v_i+v_c=v_i+V_m+V₁。

      在“上钳位偏置下移电路”中，电容C充电后的维持的电压为： v_c=V_m-V₁，则最终输出电压为：v_o=v_i+v_c=v_i+ V_m -V₁。

     

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（ end of 2-5 ）

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