淺談模擬電路之鉗位電路設計

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現各種鉗位的電路圖。同樣的，為方便分析，我們假設下面的二極管為理想二極管，即導通時理想二極管上的壓降為0。

以下分析的輸入電壓vi皆設為正弦電壓，表達式為：

1. 下鉗位電路

（1） 標準下鉗位電路

我們先介紹下鉗位電路的標準型，其電路和輸出波形如下圖所示：

圖 2-5.02

這個電路的關鍵點在于，電容C和負載電阻R的值要取的比較大，這樣當電容通過R進行放電時，時間常數 τ=RC會比較大，放電過程會非常緩慢。下面我們一步步分析其工作原理：

（1） 當輸入電壓vi從0開始增大時，會給電容C充電，此時二極管正向導通。在C的右邊，二極管和電容并聯，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ㄇ闆r下近似短路），所以充電速度極快，我們可以近似認為，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） 當輸入電壓vi到達峰值Vm時，電容上的電壓也幾乎等于這個峰值Vm。之后，當輸入電壓經過峰值開始下降時，電容上的電壓此時超過了輸入電壓vi，理論上講，電容此時應該對輸入電源進行放電。但是，如果要放電，則在電容右側的必須也要形成放電回路，但由于二極管只能單向導通，此路不通，所以放電電流只能從R走，此時二極管截止，相當于斷路狀態。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。當輸入電壓經過正峰值Vm，再走到負半周，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。所以當輸入電壓再次達到正峰值Vm時，電容上存儲的電壓只下降了很小一點點，甚至可以近似認為電容上存儲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，已經沒什么資格給電容充電了。所以可以近似認為，電容上存儲的電壓，從此一直保持為Vm不變。

（4） 接著結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的表達式為：vo=vi-vC，根據上面的分析，電容電壓vC一直保持為Vm不變，則輸出電壓最終可表達為：vo=vi-Vm，相當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，當正向導通時，其上有0.7V的壓降。根據上面“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，標準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，在二極管上再加個偏置電壓，如下圖所示：

圖 2-5.06

只要理解了前面的標準下鉗位電路，這個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） 標準上鉗位電路

上鉗位電路的標準型，如下圖所示：

圖 2-5.07

分析也是類似的，這里就簡略描述了：一開始當輸入電壓vi處于正半周時，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。

當輸入電壓進入負半周時，電容上被充的電壓幾乎為0。此時vi小于0時，二極管導通，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方向），從此電容電壓Vm保持不變。輸出電壓為：v，相當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：