二极管的基本应用：钳位电路

二极管的基本应用——钳位

二极管的单向导电性使其在整流、限幅、钳位、开关、检波和续流等电路中有着广泛的应用。为了让小伙伴们更好的理解和掌握二极管的工作原理，我们将在后续推出系列专题分别讨论二极管在这些功能电路中的应用情况。本期为钳位篇。

钳位电路

1、什么是钳位？

答： 钳位是指将某点的电位限制在规定电位的措施。

上一期的限幅电路对波形的幅值进行削减。 在实际应用中，有时需要在原始波形的基础上进行向上或向下的平移，将信号峰值在所需要的电平上，可以采用钳位电路来实现。

2、钳位电路有哪些？

答：钳位电路按照平移电压分为正钳位电路、负钳位电路；按照电路结构可分为简单钳位和带偏差的钳位电路。

3、钳位电路的工作原理是什么？（为简化分析，以下均假设二极管为理想的，时间常数RC远大于信号周期）

正钳位电路

简单的正钳位电路

电路：

工作原理：

以输入正弦信号为例进行分析。

（1）0~T/2，uI>0，

假设t=0时刻电容未充电，则此时 UD-= uI >0，又UD+= 0V，即 UD= - uI <0，D截止，

电容充电，充电回路如图所示，但由于时间常数RC很大，uC变化不大，可以认为uO= uI 。

（2）T/2~t1，uI<0，因为UD+= 0V，UD-≈uI <0， 即 UD= - uI >0，D导通， uO= 0 。

电容充电，电容回路如下图所示，与正半周情况不同，此时二极管视为短路，电容充电回路的时间常数很小，uC可迅速充至峰值UM。

（3）t1时刻uC已充至峰值UM，t1~T，uI<0，且|uI|< UM，UD+= 0V，UD-≈uI+ UM >0， 即UD= - uI - UM <0，D截止， uO= uI+UM ，即与输入信号相比，输出信号有了大小为UM的直流偏移量。

（4）T~ 3T/2，uI>0，UD+= 0V，UD-≈uI+ UM >0，即UD= - uI - UM <0，D截止， uO= uI+UM ，与输入信号相比，输出信号具有大小为UM的直流偏移量。

（5）3T/2~ 2T，uI<0，且|uI|< UM ，UD+= 0V，UD-≈uI+ UM >0，即UD= - uI - UM <0，D截止， uO= uI+UM ，与输入信号相比，输出信号具有大小为UM的直流偏移量。

因此，在稳定状态下，**uO= uI+UM，**与输入信号相比，输出信号具有大小为UM的直流偏移量。

具有偏置的正钳位电路

电路：

工作原理：

以输入正弦信号为例进行分析，假设UM >E。

（1）0~T/2，uI>0，

假设t=0时刻电容未充电，此时，UD-=0 ， 又UD+= E，则UD= E >0，D导通，二极管视为短路，电容迅速充电至E， UC = E ，充电回路如下图所示。

随后，UD+= E，UD-=uI +E，立即UD= - uI<0，D-stop，**uO= uI+ E**。

(2)T/2~t1，uI<0，UD+=E，UD-=uI+E，立即UD=-uI>0，D超前，**uO=E**。

此时，电容C迅速充电至E+UM， UC = E+UM 。

（3） t1 ~T，uI<0，UD+= E，UD-=uI + E+UM >E ，即UD=-uI-UM<0，D截止， uO= uI+UM+E。

与输入信号相比，输出信号具有大小为UM +E的直流偏移量。

（4）T~3T/2，uI>0，UD+= E ，UD-=uI+E+UM >0，即UD=-uI-UM <0，D截止， uO= uI+UM+E。 与输入信号相比，输出信号具有大小为UM +E的直流偏移量。

（5）3T/2~ 2T，uI<0，且|uI|< UM ，UD+= E，UD-= uI + E+UM ，即UD= - uI - UM <0，D截止，uO= **uI+UM+E ** 。与输入信号相比，输出信号具有大小为UM +E的直流偏移量。

因此，在稳定状态下， uO= uI+UM+E **，**与输入信号相比，输出信号具有大小为UM +E的直流偏移量。

负钳位电路

简单的负钳位电路

电路：

工作原理：以输入方波信号为例进行分析。

（1）0~T/2，uI=UM>0，假设t=0时刻电容未充电，则 UD+= uI >0 ，又UD-= 0V，即 UD= -uI >0，D导通， uO= 0*，在此区间，二极管视为短路，电容充电，且充电时间常数很小，充电回路如下图所示，UC很快充至UM 。

（2）T/2~T ，uI=_UM<0，UD-=0V，UD+=-2UM <0，即UD=-2UM<0，D截止，uO=-2UM。

（3）在第二个正半周内，由于第一个负半周T/2~T时间段内，电容C通过R放电（即使时间常数很大），使得UC略小于UM，UD-=0V，UD+=UM- UC>0，即UD=UM-UC>0，D导通，二极管视为短路，电容C再次快速充电至UC=UM， uO=0。

（4）在第二个负半周内，uI=﹣UM，UD-= 0V，UD+=﹣2UM <0，即UD =﹣2UM <0，D截止， uO=-2UM。

因此， uO= uI-UM ，与输入信号相比，输出具有大小为-UM的直流偏移量。

具有偏置的负钳位电路

电路：

工作原理：

（1）0~T/2，uI=UM >0，UD+=UM， 又UD-=E，则UD=UM-E>0，D导通， UO=E 。

二极管视为短路，电容迅速充电至UM -E， UC = UM -E ，充电回路如下图所示。

（2）T/2~ T ，uI=-UM <0，UD+=E-2UM ，UD-= E，则UD=-2UM<0，D截止，UO= E-2UM。

（3）在第二个正半周内，由于第一个负半周T/2~T时间段内 ，电容C通过R放电（即使时间常数很大），使得UC略小于UM-E ，UD-=E，UD+=UM-UC>0，即UD=UM-UC-E>0，D导通，电容C再次充电至UM-E， uO= E。

（4）第二个负半周内， uI=﹣UM，UD-= E，UD-= 0V，UD+=﹣2UM + E <0，即UD =﹣2UM <0，D截止， uO=﹣E2UM+ E 。

因此， uO= uI-UM+E，与输入信号相比，输出信号具有大小为-UM +E的直流偏移量。

总结

正钳位电路

负钳位电路