二極管限幅電路講解

今天我們來(lái)一起學(xué)習二極管限幅（Clipper）電路。

大多數電子電路（如放大器、調制器和許多其他電路）都要求輸入信號在特定的電壓范圍內。 任何幅度超過(guò)規定電壓范圍的信號都會(huì )在輸出時(shí)失真，嚴重的可能導致電路器件損壞。

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

根據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載串聯(lián)，并聯(lián)限幅電路中二極管和負載并聯(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)負向限幅電路

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

串聯(lián)負向限幅電路

現在讓我們看看為什么這個(gè)電路被稱(chēng)為串聯(lián)負向限幅電路，我們使用正弦信號進(jìn)行分析：

使用正弦信號分析串聯(lián)負向限幅電路

在輸入信號的正半周，二極管正向偏置并處于導通狀態(tài)。 因此，二極管導通，輸入信號的正半周出現在輸出。 對于理想二極管，二極管兩端的壓降為 0V，當它正向偏置時(shí)，可以把二極管等效為一段導線(xiàn)。 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的正半周：

正半周二極管導通相當于短路

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

負半周二極管截止相當于開(kāi)路

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

正半周期間，輸出電壓 Vout = Vin - Vf

負半周期間，輸出電壓 Vout = 0V

我們用下面的電路測試串聯(lián)負向限幅電路：

串聯(lián)負向限幅電路

覆銅板上焊接完的電路如下：

覆銅板上的串聯(lián)負向限幅電路

波形截圖如下：

串聯(lián)負向限幅電路波形圖

如果你仔細看正弦波的整流波形，會(huì )發(fā)現波形頂部少了一塊。 那是因為完美的二極管是不存在的。 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(zhù)每當電流正向流過(guò)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

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

正半周二極管截止相當于開(kāi)路

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

負半周二極管導通相當于短路

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

正半周期間：輸出電壓 Vout =0V

負半周期間：輸出電壓 Vout = Vin+Vf

注意，負半周 Vin 為負。 Vf 是二極管的正向壓降。

我們用下面的電路測試串聯(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

在輸入信號的正半周，二極管正向偏置并處于“導通狀態(tài)”。 因此，對于理想二極管，可以把此時(shí)的二極管等效成一段導線(xiàn)。 這會(huì )導致電阻右側對地短路。 因此，輸出也對地短路，所以，在此期間，沒(méi)有輸出。 等效電路如下：

正半周二極管導通相當于導通

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

負半周二極管截止相當于開(kāi)路

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

正半周期間：輸出電壓 Vout =Vf

負半周期間：輸出電壓 Vout = Vin

我們用下面的電路測試并聯(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)負向限幅電路（Shunt Negative Clipper）：

并聯(lián)負向限幅電路

此電路中，在輸入信號的正間隔期間，二極管反向偏置，因此開(kāi)路。 在正半周，輸出與輸入信號直接平行。 因此，輸入信號會(huì )出現在輸出上。 而在輸入信號的負半周，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：

正半周截止相當于開(kāi)路，負半周導通相當于短路

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

正半周期間：輸出電壓 Vout = Vin

負半周期間：輸出電壓 Vout = -Vf

我們用下面的電路測試并聯(lián)負向限幅電路：

并聯(lián)負向限幅電路

覆銅板上焊接電路如下：

覆銅板上的并聯(lián)負向限幅電路

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)負向限幅電路波形圖

雙向限幅電路

如果我們如圖所示反向并聯(lián)兩個(gè)二極管，那么正負半周都會(huì )被削波（Clipping of Both Half Cycles），因為二極管 D1 削波了正弦輸入波形的正半周，而二極管 D2 削波了負半周：

雙向限幅電路

對于理想二極管，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確的說(shuō)二極管正向壓降 Vf 處進(jìn)行限幅，但可以通過(guò)添加偏置電壓將限幅電壓設置為任何所需值。

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 才能讓二極管導通。 任何高于此偏置電壓的電平會(huì )被剪掉。

在輸入信號的正半周，當輸入信號從 0V 上升到 Vf+Vbias 時(shí)，二極管處于截止狀態(tài)，輸出信號等于輸入信號。 當輸入信號大于 Vf+Vbias 時(shí)，二極管導通，此時(shí)，輸出等于 Vf+Vbias:

當 Vin < Vf + Vbias, 輸出 Vout = Vin

當Vin > Vf + Vbias, 輸出 Vout = Vf + Vbias

在輸入信號的負半周，二級管處于截止狀態(tài)，輸出信號等于輸入信號：

Vout = 葡萄酒

偏置并聯(lián)負向限幅電路

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

負偏置偏置并聯(lián)負向限幅電路

電路中，偏置電源的負極反向偏置二極管，只有當輸入信號小于 -Vbias - 0.7V 時(shí)二極管才會(huì )導通。

在輸入信號信號的正半周，二極管處于截止狀態(tài)，輸出信號等于輸入信號：

Vout = Vin

在輸入信號的負半周，當輸入信號大于 -Vbias - 0.7V 時(shí)，二極管截止，輸出信號等于輸入信號； 當輸入信號小于 -Vbias - 0.7V 時(shí)，二極管導通，輸出信號等于 -Vibas - 07.V：

當 Vin > -Vbias - 0.7V, 輸出 Vout = Vin

當 Vin < -Vbias - 0.7V, 輸出 Vout = -Vbias - 0.7V

總結

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

串聯(lián)限幅電路通過(guò)的信號有 0.7V 左右的降幅，并聯(lián)限幅電路通過(guò)的信號沒(méi)有降幅，完整通過(guò)。

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

對于二極管限幅電路，我們在分析時(shí)可以先把二極管想象成理想二極管，然后通過(guò)將導通二極管在等效電路中替換成一段導線(xiàn)，將截止二極管在等效電路中替換成開(kāi)路的形式來(lái)理解出輸出波形應該是什么樣子，在此基礎上，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。