二極管限幅電路講解

今天我們來一起學(xué)習(xí)二極管限幅（Clipper）電路。

大多數(shù)電子電路（如放大器、調(diào)制器和許多其他電路）都要求輸入信號(hào)在特定的電壓范圍內(nèi)。 任何幅度超過規(guī)定電壓范圍的信號(hào)都會(huì)在輸出時(shí)失真，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致電路器件損壞。

為了讓輸入信號(hào)在處理電路的電壓要求范圍內(nèi)，通常需要對(duì)波形進(jìn)行削波（clipping）。 對(duì)波形進(jìn)行削波可以“限幅”輸入信號(hào)的一部分，但不會(huì)影響剩余部分。

根據(jù)電路中二極管的位置，限幅電路分為兩種：

串聯(lián)限幅電路（Series Clippers）

并聯(lián)限幅電路（Parallel Clippers or Shunt Clippers）

串聯(lián)限幅電路中二極管和負(fù)載串聯(lián)，并聯(lián)限幅電路中二極管和負(fù)載并聯(lián)。

下圖分別是串聯(lián)和并聯(lián)限幅電路：

串聯(lián)和并聯(lián)限幅電路

串聯(lián)負(fù)向限幅電路

下圖是串聯(lián)負(fù)向限幅電路（Series Negative Clipper），也被稱為半波整流電路（half-wave rectifier）：

串聯(lián)負(fù)向限幅電路

現(xiàn)在讓我們看看為什么這個(gè)電路被稱為串聯(lián)負(fù)向限幅電路，我們使用正弦信號(hào)進(jìn)行分析：

使用正弦信號(hào)分析串聯(lián)負(fù)向限幅電路

在輸入信號(hào)的正半周，二極管正向偏置并處于導(dǎo)通狀態(tài)。 因此，二極管導(dǎo)通，輸入信號(hào)的正半周出現(xiàn)在輸出。 對(duì)于理想二極管，二極管兩端的壓降為 0V，當(dāng)它正向偏置時(shí)，可以把二極管等效為一段導(dǎo)線。 在此期間，輸出與輸入完全相同，因此輸出電壓恰好等于輸入信號(hào)的正半周：

正半周二極管導(dǎo)通相當(dāng)于短路

在輸入信號(hào)的負(fù)半周期間，二極管反向偏置。 因此二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，造成開路。 因此，在此期間沒有輸出。 電路“剪掉”了輸入信號(hào)的負(fù)半周。 這就是為什么這個(gè)電路被稱為串聯(lián)負(fù)向限幅電路。 等效電路如下：

負(fù)半周二極管截止相當(dāng)于開路

上面是理想電路的分析，實(shí)際二極管是壓降的，我們假設(shè)它的壓降為 Vf：

正半周期間，輸出電壓 Vout = Vin - Vf

負(fù)半周期間，輸出電壓 Vout = 0V

我們用下面的電路測(cè)試串聯(lián)負(fù)向限幅電路：

串聯(lián)負(fù)向限幅電路

覆銅板上焊接完的電路如下：

覆銅板上的串聯(lián)負(fù)向限幅電路

波形截圖如下：

串聯(lián)負(fù)向限幅電路波形圖

如果你仔細(xì)看正弦波的整流波形，會(huì)發(fā)現(xiàn)波形頂部少了一塊。 那是因?yàn)橥昝赖亩O管是不存在的。 所有的二極管都有一個(gè)所謂的正向壓降(Voltage drop or Vf)。 這意味著每當(dāng)電流正向流過二極管時(shí)，電壓通常會(huì)降低 0.7 伏左右。

串聯(lián)正向限幅電路

只需要將二極管掉個(gè)個(gè)，我們就可以得到串聯(lián)正向限幅電路（Series Positive Clipper）：

串聯(lián)正向限幅電路

在輸入信號(hào)的正半周期間，二極管反向偏置。 因此二極管處于斷開狀態(tài)，相當(dāng)于此處開路。 因此，在此期間沒有輸出。 電路“剪掉”了輸入信號(hào)的正半周。 等效電路如下：

正半周二極管截止相當(dāng)于開路

在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二極管正向偏置并處于導(dǎo)通狀態(tài)。 因此，二極管導(dǎo)通，輸入信號(hào)的負(fù)半周出現(xiàn)在輸出。 在理想分析中，二極管兩端的壓降為 0V，當(dāng)它正向偏置時(shí)，可以把二極管等效為一段導(dǎo)線。 在此期間，輸出與輸入完全相同。 等效電路如下：

負(fù)半周二極管導(dǎo)通相當(dāng)于短路

實(shí)際電路中二極管兩端會(huì)有壓降，假設(shè)壓降為 Vf, 則實(shí)際情況如下：

正半周期間：輸出電壓 Vout =0V

負(fù)半周期間：輸出電壓 Vout = Vin+Vf

注意，負(fù)半周 Vin 為負(fù)。 Vf 是二極管的正向壓降。

我們用下面的電路測(cè)試串聯(lián)正向限幅電路：

串聯(lián)正向限幅電路

覆銅板上焊接完的電路如下：

覆銅板上的串聯(lián)正向限幅電路

左邊的是之前焊接的串聯(lián)負(fù)向限幅電路，右邊的是串聯(lián)正向限幅電路

波形截圖如下：

串聯(lián)正向限幅電路波形圖

并聯(lián)正向限幅電路

下面是并聯(lián)正向限幅電路（Shunt Positive Clipper）：

并聯(lián)正向限幅電路

在輸入信號(hào)的正半周，二極管正向偏置并處于“導(dǎo)通狀態(tài)”。 因此，對(duì)于理想二極管，可以把此時(shí)的二極管等效成一段導(dǎo)線。 這會(huì)導(dǎo)致電阻右側(cè)對(duì)地短路。 因此，輸出也對(duì)地短路，所以，在此期間，沒有輸出。 等效電路如下：

正半周二極管導(dǎo)通相當(dāng)于導(dǎo)通

在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二極管反向偏置并處于“截止”狀態(tài)。 這導(dǎo)致電路中的電阻與地的連接斷開。 進(jìn)而導(dǎo)致輸出與輸入并聯(lián)。 因此，輸入信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在輸出上。 觀察最終的輸出波形，輸入信號(hào)的正半周被“削掉（clipped off）”了, 因此這個(gè)電路被稱為并聯(lián)正向限幅電路（positive parallel clipper)。 等效電路如下：

負(fù)半周二極管截止相當(dāng)于開路

實(shí)際電路中二極管兩端會(huì)有壓降，假設(shè)壓降為 Vf, 則實(shí)際情況如下：

正半周期間：輸出電壓 Vout =Vf

負(fù)半周期間：輸出電壓 Vout = Vin

我們用下面的電路測(cè)試并聯(lián)正向限幅電路：

并聯(lián)正向限幅電路

覆銅板上焊接電路如下：

覆銅板上的并聯(lián)正向限幅電路

示波器波形截圖如下：

并聯(lián)正向限幅電路波形圖

并聯(lián)負(fù)向限幅電路

把上面電路中二極管掉個(gè)個(gè)， 電路將會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)并聯(lián)負(fù)向限幅電路（Shunt Negative Clipper）：

并聯(lián)負(fù)向限幅電路

此電路中，在輸入信號(hào)的正間隔期間，二極管反向偏置，因此開路。 在正半周，輸出與輸入信號(hào)直接平行。 因此，輸入信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在輸出上。 而在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二極管正向偏置并因此短路。 在此期間，輸出電壓理想情況下等于 0 V。 等效電路如下：

正半周截止相當(dāng)于開路，負(fù)半周導(dǎo)通相當(dāng)于短路

實(shí)際電路中二極管兩端會(huì)有壓降，假設(shè)壓降為 Vf, 則實(shí)際情況如下：

正半周期間：輸出電壓 Vout = Vin

負(fù)半周期間：輸出電壓 Vout = -Vf

我們用下面的電路測(cè)試并聯(lián)負(fù)向限幅電路：

并聯(lián)負(fù)向限幅電路

覆銅板上焊接電路如下：

覆銅板上的并聯(lián)負(fù)向限幅電路

左邊的是之前焊接的并聯(lián)正向限幅電路。

示波器波形截圖如下：

并聯(lián)負(fù)向限幅電路波形圖

雙向限幅電路

如果我們?nèi)鐖D所示反向并聯(lián)兩個(gè)二極管，那么正負(fù)半周都會(huì)被削波（Clipping of Both Half Cycles），因?yàn)槎O管 D1 削波了正弦輸入波形的正半周，而二極管 D2 削波了負(fù)半周：

雙向限幅電路

對(duì)于理想二極管，上面的輸出波形為零。 然而，由于二極管上的正向偏置電壓降，實(shí)際的削波點(diǎn)分別出現(xiàn)在 0.7 伏和 –0.7 伏。

偏置限幅電路

上面的限幅電路在零伏或者更準(zhǔn)確的說二極管正向壓降 Vf 處進(jìn)行限幅，但可以通過添加偏置電壓將限幅電壓設(shè)置為任何所需值。

偏置并聯(lián)正向限幅電路

下圖是正偏置并聯(lián)正向限幅電路（Shunt Positive Clipper with Positive Bias Voltage）:

正偏置并聯(lián)正向限幅電路

將偏置電壓 Vbias 與二極管串聯(lián)可以產(chǎn)生任意電平的二極管限幅電路。 串聯(lián)組合兩端的電壓必須大于 Vbias +0.7V 二極管才能導(dǎo)通。 例如，如果 Vbias 電平為 4.0V, 那么二極管正極的電壓必須大于 4.0 + 0.7 = 4.7V 才能讓二極管導(dǎo)通。 任何高于此偏置電壓的電平會(huì)被剪掉。

在輸入信號(hào)的正半周，當(dāng)輸入信號(hào)從 0V 上升到 Vf+Vbias 時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)。 當(dāng)輸入信號(hào)大于 Vf+Vbias 時(shí)，二極管導(dǎo)通，此時(shí)，輸出等于 Vf+Vbias:

當(dāng) Vin < Vf + Vbias, 輸出 Vout = Vin

當(dāng)Vin > Vf + Vbias, 輸出 Vout = Vf + Vbias

在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二級(jí)管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)：

Vout = 葡萄酒

偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路

下圖是負(fù)偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路（Shunt Negative Clipper with Negative Bias Voltage）:

負(fù)偏置偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路

電路中，偏置電源的負(fù)極反向偏置二極管，只有當(dāng)輸入信號(hào)小于 -Vbias - 0.7V 時(shí)二極管才會(huì)導(dǎo)通。

在輸入信號(hào)信號(hào)的正半周，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)：

Vout = Vin

在輸入信號(hào)的負(fù)半周，當(dāng)輸入信號(hào)大于 -Vbias - 0.7V 時(shí)，二極管截止，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)； 當(dāng)輸入信號(hào)小于 -Vbias - 0.7V 時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出信號(hào)等于 -Vibas - 07.V：

當(dāng) Vin > -Vbias - 0.7V, 輸出 Vout = Vin

當(dāng) Vin < -Vbias - 0.7V, 輸出 Vout = -Vbias - 0.7V

總結(jié)

串聯(lián)限幅電路二極管導(dǎo)通時(shí)允許輸入信號(hào)通過，并聯(lián)限幅電路二極管截止時(shí)允許輸入信號(hào)通過。

串聯(lián)限幅電路通過的信號(hào)有 0.7V 左右的降幅，并聯(lián)限幅電路通過的信號(hào)沒有降幅，完整通過。

串聯(lián)限幅電路可以在 0V 截止信號(hào)，并聯(lián)限幅電路截止位置則在 ±0.7V 左右。

對(duì)于二極管限幅電路，我們?cè)诜治鰰r(shí)可以先把二極管想象成理想二極管，然后通過將導(dǎo)通二極管在等效電路中替換成一段導(dǎo)線，將截止二極管在等效電路中替換成開路的形式來理解出輸出波形應(yīng)該是什么樣子，在此基礎(chǔ)上，再將理想二極管替換成帶有正向壓降（0.7V 左右）的實(shí)際二極管，這樣，可以極大有利于我們理解這種電路。