硬件【9】详解二极管钳位电路

1 概述

在之前的 二极管限幅电路 一文中，我们学习了二极管限幅电路，该电路可以削掉一部分信号，但不会影响剩余信号。今天，我们将学习另一种基于二极管的电路，该电路可以在不改变输入信号波形形状的前提下将输入波形抬升或拉低到某个直流参考电平之上或之下，该电路被称为二极管 “钳位（Clamper）” 电路。钳位电路也被称为直流恢复电路（DC restorer）。

钳位电路整体分为两类：

正向钳位电路（Positive Clampers）
负向钳位电路（Negative Clampers）

正向钳位电路：这种类型的钳位电路正向移动输入信号波形，结果就是波形位于直流参考电平之上。
负向钳位电路：这种类型的钳位电路负向移动输入信号波形，结果就是波形位于直流参考电平之下。

钳位电路中二极管的方向决定了钳位电路的类型。

1.1 正向钳位电路

正向钳位器的电路如下图所示:

在这里，电路由三个主要器件组成：

电容器
二极管
负载电阻

二极管和负载电阻并联，即二极管的负极（cathode）连接到电容，正极（anode）连接到地。

在设计钳位电路时，必须选择合适的电容值和负载电阻值，以使得 τ=RC（时间常数）足够大，以确保在二极管截止期间电容两端的电压不会明显放电。在本文中，我们假设时间常数 τ ≥ 5T（T表示输入信号的周期）。
假设上电时，输入信号处于正半周，那么此时输出信号基本等于输入信号，因为此时电容正在通过阻值较大的负载电阻 RL 缓慢充电，电容两端的压降为 0，整个电路的压降全部落在了 RL 上。

一旦输入波形信号切换到负半周，则二极管正向偏置，相当于一段导线。结果，由于二极管导通电阻很小，电容迅速充电至输入信号电压，我们称其为 Vc。在输入信号的负半周，二极管处于导通状态：

此期间的输出为 0V，因为二极管闭合相当于短路。此外，请注意，在此期间，电容器将快速充电至接近于输入信号 “V” 的值，因为由于二极管导通时的有效电阻很小，时间常数 RC 将非常小。请注意电容器充满电时的极性。

一旦输入信号切换到正半周，二极管将被反相偏置。在此期间，二极管将处于截止状态，相当于开路：

在正半周期间，充满电但放电很慢的电容相当于一块电池，输入信号也相当于一块电池，整个电路的电源部分相当于两块电池串联：

因此，输出电压是施加的输入电压和存储在电容器中的电荷之和：

Vout = Vin + Vc

Vc 是输入峰值电压。从上述等式可以明显地看到，上述电路为输入电压信号增加了一个正向直流偏置 Vc。
正半周期间当输入信号 Vin 到达其峰值时， Vin = Vc, 则：

Vout = Vin + Vc = 2Vc

我们使用下面的电路测试正向钳位电路：

焊接好后的电路如下：

输入输出波形如下：

黄色是输出波形，青色是输出波形。可以看到输出后的波形被整体抬升了，抬升幅度约为 2V。输出波形的低电平约为 0.6V, 那是由于二极管 1N4148 对地压降造成的, 抬升前平均电压为 0V， 抬升后平均电压为 1.4V 左右。

1.2 偏置正向钳位电路

可以给钳位电路加一个偏置电压，这会进一步抬升输出波形：

此处给电路添加了直流偏置电源 Vdc, 它的负极连接到地，而它的正极连接到二极管的正极。
跟前面不带偏置的电路一样，假设上电时，输入信号处于正半周，那么此期间输出信号基本等于输入信号。
一旦输入信号切换到负半周，二极管导通, 等效电路如下：

在此期间，负载电阻与偏置电压 Vdc 直接并联，因此在此期间，输出电压等于 Vdc。此外，在此期间，输入信号 Vin 和偏置电源 Vdc 相当于两块串联的电池给电容充电。请注意电容电荷的极性。

使用 基尔霍夫电压定律（KVL） , 我们可以确定电容中存储了多少电荷。

我们从下面的地开始沿着顺时针方向分析，即绕行方向为顺时针。先遇到输入信号电压 Vin, 下面电压高上面电压低，即沿着绕行方向看降压，记为 -Vin,。再遇到电容，左边负，右边正，沿着绕行方向升压，记为 Vc。再遇到偏置电压 Vdc, 沿绕行方向降压，记为 -Vdc。应用 KVL 可列等式：

-Vin + Vc - Vdc = 0

移项可得：

Vc = Vin + Vdc

可见，负半周期间，电容电压将充电至 Vin + Vdc 。

当输入信号切换到正半周，二极管将进入关断状态，因为它会被输入反向偏置。在此期间，二极管截止，使直流电源 Vdc 对电路没有影响:

输出电压 Vout = Vin + （Vin +Vdc） = 2Vin + Vdc。

我们使用下面的电路测试正向偏置电路：

当偏置电压为 1V 时波形如下：

黄色是输入波形，青色是输出波形。可以看到其最小值、平均值都比前面比前面没有偏置的电路增大了 1V 左右。

当偏置电压为 2V时波形如下：

总结
今天我们学习了二极管、电容组成的钳位电路。其基本原理是，先将电容充电至输入电压最大值，然后再将充满电的电容和输入电压串联，从而提高输出电压。