[经验]

图文解读：模拟电路中的钳位电路设计

2020-11-9 09:10:57

7102 模拟电路钳位电路电路设计

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 vi 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 vi 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 vi 到达峰值 Vm 时，电容上的电压也几乎等于这个峰值 Vm。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 vi，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 Vm，再走到负半周，再变正，再回到正峰值 Vm 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 Vm 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 Vm。而输入电压 vi 最大也就到 Vm，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 Vm 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 vo 的表达式为：vo=vi-vC，根据上面的分析，电容电压 vC 一直保持为 Vm 不变，则输出电压最终可表达为：vo=vi-Vm，相当于将输入电压向下平移了 Vm。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：Vm-0.7V，则最终输出电压的表达式为：vo=vi-（Vm-0.7V）= vi-Vm+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 Vm，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：vc=Vm-V1，则最终输出电压为：vo=vi-vc=vi-Vm+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：

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 vi 处于正半周时，二极管截止，vi 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 vi 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 Vm（注意图中电容电压的正负方向），从此电容电压 Vm 保持不变。输出电压为：v，

相当于将输入电压上移了 Vm。

（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：

在“上钳位偏置下移电路”中，电容 C 充电后的维持的电压为：