原文來自公眾號：工程師看海

二極管限幅電路可以削掉一部分信號，但不會影響剩余信號。今天，我們將學習另一種基于二極管的電路，該電路可以在不改變輸入信號波形形狀的前提下將輸入波形抬升或拉低到某個直流參考電平之上或之下，該電路被稱為二極管 “鉗位（Clamper）” 電路。鉗位電路也被稱為直流恢復電路（DC restorer）。

鉗位電路整體分為兩類：

正向鉗位電路（Positive Clampers）

負向鉗位電路（Negative Clampers）

正向鉗位電路：這種類型的鉗位電路正向移動輸入信號波形，結果就是波形位于直流參考電平之上。

負向鉗位電路：這種類型的鉗位電路負向移動輸入信號波形，結果就是波形位于直流參考電平之下。

鉗位電路中二極管的方向決定了鉗位電路的類型。

正向鉗位電路

正向鉗位器的電路如下圖所示:

在這里，電路由三個主要器件組成：

電容器

二極管

負載電阻

二極管和負載電阻并聯，即二極管的負極（cathode）連接到電容，正極（anode）連接到地。

在設計鉗位電路時，必須選擇合適的電容值和負載電阻值，以使得 τ=RC（時間常數）足夠大，以確保在二極管截止期間電容兩端的電壓不會明顯放電。在本文中，我們假設時間常數 τ ≥ 5T（T表示輸入信號的周期）。

假設上電時，輸入信號處于正半周，那么此時輸出信號基本等于輸入信號，因為此時電容正在通過阻值較大的負載電阻 RL 緩慢充電，電容兩端的壓降為 0，整個電路的壓降全部落在了 RL 上。

一旦輸入波形信號切換到負半周，則二極管正向偏置，相當于一段導線。結果，由于二極管導通電阻很小，電容迅速充電至輸入信號電壓，我們稱其為 Vc。在輸入信號的負半周，二極管處于導通狀態：

此期間的輸出為 0V，因為二極管閉合相當于短路。此外，請注意，在此期間，電容器將快速充電至接近于輸入信號 “V” 的值，因為由于二極管導通時的有效電阻很小，時間常數 RC 將非常小。請注意電容器充滿電時的極性。

一旦輸入信號切換到正半周，二極管將被反相偏置。在此期間，二極管將處于截止狀態，相當于開路：

在正半周期間，充滿電但放電很慢的電容相當于一塊電池，輸入信號也相當于一塊電池，整個電路的電源部分相當于兩塊電池串聯：

因此，輸出電壓是施加的輸入電壓和存儲在電容器中的電荷之和：

Vout = Vin + Vc

Vc 是輸入峰值電壓。從上述等式可以明顯地看到，上述電路為輸入電壓信號增加了一個正向直流偏置 Vc。

正半周期間當輸入信號 Vin 到達其峰值時， Vin = Vc, 則：

Vout = Vin + Vc = 2Vc

我們使用下面的電路測試正向鉗位電路：

焊接好后的電路如下：

輸入輸出波形如下：

黃色是輸入波形，青色是輸出波形。可以看到輸出后的波形被整體抬升了，抬升幅度約為 2V。輸出波形的低電平約為 0.6V, 那是由于二極管 1N4148 對地壓降造成的, 抬升前平均電壓為 0V， 抬升后平均電壓為 1.4V 左右。

偏置正向鉗位電路

可以給鉗位電路加一個偏置電壓，這會進一步抬升輸出波形：

此處給電路添加了直流偏置電源 Vdc, 它的負極連接到地，而它的正極連接到二極管的正極。

跟前面不帶偏置的電路一樣，假設上電時，輸入信號處于正半周，那么此期間輸出信號基本等于輸入信號。

一旦輸入信號切換到負半周，二極管導通, 等效電路如下：

在此期間，負載電阻與偏置電壓 Vdc 直接并聯，因此在此期間，輸出電壓等于 Vdc。此外，在此期間，輸入信號 Vin 和偏置電源 Vdc 相當于兩塊串聯的電池給電容充電。請注意電容電荷的極性。

使用 基爾霍夫電壓定律（KVL） , 我們可以確定電容中存儲了多少電荷。

我們從下面的地開始沿著順時針方向分析，即繞行方向為順時針。先遇到輸入信號電壓 Vin, 下面電壓高上面電壓低，即沿著繞行方向看降壓，記為-Vin,。再遇到電容，左邊負，右邊正，沿著繞行方向升壓，記為Vc。再遇到偏置電壓 Vdc, 沿繞行方向降壓，記為-Vdc。應用 KVL 可列等式：

-Vin + Vc - Vdc = 0

移項可得：

Vc = Vin + Vdc

可見，負半周期間，電容電壓將充電至 Vin + Vdc 。

當輸入信號切換到正半周，二極管將進入關斷狀態，因為它會被輸入反向偏置。在此期間，二極管截止，使直流電源 Vdc 對電路沒有影響:

輸出電壓 Vout = Vin + （Vin +Vdc） = 2Vin + Vdc。

我們使用下面的電路測試正向偏置電路：

當偏置電壓為 1V 時波形如下：

黃色是輸入波形，青色是輸出波形。可以看到其最小值、平均值都比前面比前面沒有偏置的電路增大了 1V 左右。

當偏置電壓為 2V時波形如下：

可以看到其可以看到其最小值、平均值都比前面比前面沒有偏置的電路增大了 2V 左右。

總結

今天我們學習了二極管、電容組成的鉗位電路。其基本原理是，先將電容充電至輸入電壓最大值，然后再將充滿電的電容和輸入電壓串聯，從而提高輸出電壓。

審核編輯：湯梓紅