硬件【9】详解二极管钳位电路

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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：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

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。

Vout = Vin + Vc

Vout = Vin + Vc = 2Vc

1.2 偏置正向钳位电路

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 。

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。