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图文解读:模拟电路中的钳位电路设计

2020-11-9 09:10:57  392 模拟电路 钳位电路 电路设计
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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 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:



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