淺談模擬電路之鉗位電路設(shè)計(jì)

鉗位器（clamper）可以將輸入波形整體上移或下移，“clamper”在 英語中的原意是“夾具”的意思，很形象地說明了它可以把波形任意鉗夾在某個(gè)電平處。如下圖所示：

圖 2-5.01

鉗位電路的核心器件是二極管和電容，下面我們具體分析實(shí)現(xiàn)各種鉗位的電路圖。同樣的，為方便分析，我們假設(shè)下面的二極管為理想二極管，即導(dǎo)通時(shí)理想二極管上的壓降為0。

以下分析的輸入電壓vi皆設(shè)為正弦電壓，表達(dá)式為：

1. 下鉗位電路

（1） 標(biāo)準(zhǔn)下鉗位電路

我們先介紹下鉗位電路的標(biāo)準(zhǔn)型，其電路和輸出波形如下圖所示：

圖 2-5.02

這個(gè)電路的關(guān)鍵點(diǎn)在于，電容C和負(fù)載電阻R的值要取的比較大，這樣當(dāng)電容通過R進(jìn)行放電時(shí)，時(shí)間常數(shù) τ=RC會(huì)比較大，放電過程會(huì)非常緩慢。下面我們一步步分析其工作原理：

（1） 當(dāng)輸入電壓vi從0開始增大時(shí)，會(huì)給電容C充電，此時(shí)二極管正向?qū)?。在C的右邊，二極管和電容并聯(lián)，但由于電阻R值比較大，所以充電電流回路主要從二極管上走。又由于二極管的電阻非常?。ɡ硐雽?dǎo)通情況下近似短路），所以充電速度極快，我們可以近似認(rèn)為，電容上的電壓幾乎就是等于輸入電壓。充電電流回路如下圖所示：

圖 2-5.03

（2） 當(dāng)輸入電壓vi到達(dá)峰值Vm時(shí)，電容上的電壓也幾乎等于這個(gè)峰值Vm。之后，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過峰值開始下降時(shí)，電容上的電壓此時(shí)超過了輸入電壓vi，理論上講，電容此時(shí)應(yīng)該對輸入電源進(jìn)行放電。但是，如果要放電，則在電容右側(cè)的必須也要形成放電回路，但由于二極管只能單向?qū)?，此路不通，所以放電電流只能從R走，此時(shí)二極管截止，相當(dāng)于斷路狀態(tài)。放電回路如下圖所示：

圖 2-5.04

（3） 前面說過，由于電阻R和電容C的值都取得很大，所以放電速度非常緩慢。當(dāng)輸入電壓經(jīng)過正峰值Vm，再走到負(fù)半周，再變正，再回到正峰值Vm前，電容雖然一直在向輸入電源放電，但放電速度極其緩慢。所以當(dāng)輸入電壓再次達(dá)到正峰值Vm時(shí)，電容上存儲(chǔ)的電壓只下降了很小一點(diǎn)點(diǎn)，甚至可以近似認(rèn)為電容上存儲(chǔ)的電壓幾乎沒怎么變化，仍為Vm。而輸入電壓vi最大也就到Vm，已經(jīng)沒什么資格給電容充電了。所以可以近似認(rèn)為，電容上存儲(chǔ)的電壓，從此一直保持為Vm不變。

（4） 接著結(jié)論就是順理成章的事情啦，從電路圖上可以得出，輸出電壓vo的表達(dá)式為：vo=vi-vC，根據(jù)上面的分析，電容電壓vC一直保持為Vm不變，則輸出電壓最終可表達(dá)為：vo=vi-Vm，相當(dāng)于將輸入電壓向下平移了Vm。如下圖所示：

圖 2-5.05

（5） 最后再考慮一下非理想二極管的情況。對于非理想二極管，當(dāng)正向?qū)〞r(shí)，其上有0.7V的壓降。根據(jù)上面“圖2-5.03”的充電回路可以看出，電容上可充到的電壓為：Vm-0.7V，則最終輸出電壓的表達(dá)式為：vo=vi-（Vm-0.7V）= vi-Vm+0.7V

（2） 偏置下鉗位電路

從上面的分析可看到，標(biāo)準(zhǔn)下鉗位電路只能將輸入波形向下平移Vm，那如果我們要向下平移任意電平怎么辦？很簡單，在二極管上再加個(gè)偏置電壓，如下圖所示：

圖 2-5.06

只要理解了前面的標(biāo)準(zhǔn)下鉗位電路，這個(gè)偏置分析就很簡單啦，在“下鉗位偏置上移電路”中，電容C充電后的維持的電壓為：vc=Vm-V1，則最終輸出電壓為：vo=vi-vc=vi-Vm+V1。

在“下鉗位偏置下移電路”中，電容C充電后的維持的電壓為：

2. 上鉗位電路

（1） 標(biāo)準(zhǔn)上鉗位電路

上鉗位電路的標(biāo)準(zhǔn)型，如下圖所示：

圖 2-5.07

分析也是類似的，這里就簡略描述了：一開始當(dāng)輸入電壓vi處于正半周時(shí)，二極管截止，vi通過電阻R形成回路給電容充電，但是由于R非常大，所以充電速度非常緩慢。

當(dāng)輸入電壓進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，電容上被充的電壓幾乎為0。此時(shí)vi小于0時(shí)，二極管導(dǎo)通，充電電流通過二極管回路開始對電容C快速充電，電容電壓最大可充到Vm（注意圖中電容電壓的正負(fù)方向），從此電容電壓Vm保持不變。輸出電壓為：v，相當(dāng)于將輸入電壓上移了Vm。

（2） 偏置上鉗位電路

上鉗位電路也可以加偏置電壓，達(dá)到上移任意電平的效果，如下圖所示：

圖 2-5.08

在“上鉗位偏置上移電路”中，電容C充電后的維持的電壓為：

在“上鉗位偏置下移電路”中，電容C充電后的維持的電壓為：