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二极管钳位电路的工作原理

所述二极管削波器,也被称为二极管限制器,是一种波形整形电路,其采用输入波形和剪辑或切断其上半部分,下半部分或两半一起。

输入信号的这种削波产生的输出波形类似于输入的扁平版本。例如,半波整流器是限幅电路,因为消除了低于零的所有电压。

二极管封装电路可用于各种应用,使用信号和肖特基二极管修改输入波形,或使用齐纳二极管提供过压保护,以确保输出电压不会超过一定水平,保护电路免受高压尖峰的影响。然后二极管限幅电路可用于电压限制应用。

我们已经知道,当二极管正向偏置时,它允许电流通过自身钳位电压。当二极管反向偏置时,没有电流流过它,并且其端子上的电压不受影响,这是二极管限幅电路的基本操作。

虽然二极管限幅电路的输入电压可以有任何波形,但我们假设输入电压是正弦波,考虑下面不同的电路情况时的二极管工作原理分析。

正二极管钳位电路

正二极管限幅电路图

正二极管限幅电路图

在该二极管限幅电路中,在正弦输入波形的正半周期期间,二极管正向偏置(阳极比阴极更正)。为使二极管变为正向偏置,它必须具有大于+0.7伏的输入电压幅度(对于锗二极管为0.3伏)。

当发生这种情况时,二极管开始导通并将电压保持恒定在0.7V,直到正弦波形低于该值。因此,在正半周期期间,在二极管上获得的输出电压不会超过0.7伏。

在负半周期期间,二极管反向偏置(阴极比阳极更正)阻止电流流过自身,因此对正弦电压的负半部分没有影响,正负电压不加改变地传递到负载。因此,二极管限制输入波形的正半部分,并且被称为正限幅电路。

负二极管钳位电路

负二极管钳位电路图

负二极管钳位电路图

这反过来也是如此。二极管在正弦波形的负半周期期间正向偏置,并将其限制或限幅为-0.7伏,同时允许正半周期在反向偏置时不变。由于二极管限制了输入电压的负半周期,因此它被称为负限幅电路。

剪切两个半周期

二极管剪切电路图

二极管剪切电路图

如果我们如图所示以反向并联方式连接两个二极管,那么正半导体半周期和负半周期将被截断,因为二极管D 1截断正弦输入波形的正半周期,而二极管D 2截断负半周期。然后二极管限幅电路可用于限制正半周期,负半周期或两者。

对于理想二极管,上面的输出波形将为零。然而,由于二极管上的正向偏压降,实际的削波点分别出现在+0.7伏和-0.7伏。但是我们可以将这个±0.7V的阈值增加到我们想要的任何值,直到正弦波形的最大值(V PEAK),或者将更多的二极管串联在一起,产生0.7伏的倍数,或者通过向电压偏置添加一个电压偏置二极管。

偏置二极管钳位电路

为了产生用于不同电平的电压波形的二极管限幅电路,偏置电压V BIAS与二极管串联,以产生如图所示的组合限幅器。在二极管充分向前偏置导通之前,串联组合上的电压必须大于V BIAS + 0.7V。例如,如果V BIAS电平设置为4.0伏,则二极管阳极端的正弦电压必须大于4.0 + 0.7 = 4.7伏,才能使其正向偏置。高于此偏置点的任何阳极电压电平都会被截断。

正偏压二极管剪切

正偏压二极管削波电路图

正偏压二极管削波电路图

同样,通过反转二极管和电池偏置电压,当二极管导通时,输出波形的负半周期保持在-V BIAS -0.7V电平,如图所示。

负偏压二极管封装

负偏压二极管钳位电路图

负偏压二极管钳位电路图

可以通过改变二极管的偏置电压来实现可变二极管限幅或二极管限制电平。如果要钳制正半周和负半周,则使用两个偏置限幅二极管。但对于正负二极管钳位,偏置电压不必相同。正偏压可以是一个电平,例如4伏,而负偏压可以是另一个,例如6伏,如图所示。

不同偏置电平的二极管剪切

偏置二极管剪切电路图

偏置二极管剪切电路图

当正半周期电压达到+4.7 V时,二极管D 1导通并将波形限制在+4.7 V.二极管D 2直到电压达到-6.7 V才导通。因此,所有正电压都高于+4.7 V且低于-6.7 V的负电压会自动削减。

偏置二极管限幅电路的优点在于它可以防止输出信号超过输入波形的两个半周期的预设电压限制,输入波形可以是来自噪声传感器或电源的正负电源轨的输入。

如果二极管限幅电平设置得太低或输入波形太大,那么两个波形峰值的消除可能会以方波形波形结束。

二极管箝位总结

除了用作整流器之外,二极管还可用于夹住特定直流电平的波形的顶部,底部或两者,并将其传递到输出而不会失真。在上面的例子中,我们假设波形是正弦波,但理论上可以使用任何形状的输入波形。

二极管钳位电路用于消除幅度噪声或电压尖峰,电压调节或从现有信号产生新波形,例如将正弦波形的峰值平方以获得如上所示的矩形波形。

“二极管限幅”的最常见应用是作为在感性负载上并联连接的飞轮或续流二极管,以保护开关晶体管形成反向电压瞬变。