今天，我們學習的是二極管限幅（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。任何幅度超過規(guī)定電壓范圍的信號都會在輸出時失真，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，通常需要對波形進行削波（clipping）。對波形進行削波可以“限幅”輸入信號的一部分，但不會影響剩余部分。


    根據電路中二極管的位置，限幅電路可分為以下兩種：


    . 串聯限幅電路（Series Clippers）

    . 并聯限幅電路（Parallel Clippers or Shunt Clippers）

    串聯限幅電路中二極管和負載串聯，并聯限幅電路中二極管和負載并聯。


    下圖分別是串聯和并聯限幅電路：



                                  ▲串聯和并聯限幅電路

    1、串聯負向限幅電路

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



                                       ▲串聯負向限幅電路


    現在讓我們看一看為什么這個電路被稱為串聯負向限幅電路，我們使用正弦信號進行分析。



                   ▲使用正弦信號分析串聯負向限幅電路


    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，可以把二極管等效為一段導線。


    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。因此二極管處于關斷狀態(tài)，造成開路。因此，在此期間沒有輸出，電路“剪掉”了輸入信號的負半周。這就是為什么這個電路被稱為串聯負向限幅電路。

等效電路如下：



                         ▲負半周二極管截止相當于開路


    上面是理想電路的分析，實際二極管是壓降的，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負向限幅電路：



                                   ▲串聯負向限幅電路


    覆銅板上焊接完的電路如下：




                            ▲覆銅板上的串聯負向限幅電路


    波形截圖如下：




                                 ▲串聯負向限幅電路波形圖


    如果你仔細看正弦波的整流波形，會發(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所謂的正向壓降（Voltage drop or Vf）。這意味著，每當電流正向流過二極管時，電壓通常會降低0.7伏左右。

    2、串聯正向限幅電路

    只需要將二極管掉個個，我們就可以得到串聯正向限幅電路（Series Positive Clipper）：



                                       ▲串聯正向限幅電路


    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狀態(tài)，相當于此處開路。因此，在此期間沒有輸出。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，可以把二極管等效為一段導線。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


    實際電路中二極管兩端會有壓降，假設壓降為Vf，則實際情況如下：

    . 正半周期間：輸出電壓Vout=0V
    . 負半周期間：輸出電壓Vout=Vin+Vf

    這里需要注意的是，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正向限幅電路：



                                      ▲串聯正向限幅電路


    覆銅板上焊接完的電路如下：

                           ▲覆銅板上的串聯正向限幅電路

    左邊的是之前焊接的串聯負向限幅電路，右邊的是串聯正向限幅電路。

    波形截圖如下：




                              ▲串聯正向限幅電路波形圖

    3、并聯正向限幅電路

    下面是并聯正向限幅電路（Shunt Positive Clipper）：



                                          ▲并聯正向限幅電路


    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，可以把此時的二極管等效成一段導線。這會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，進而導致輸出與輸入并聯。因此，輸入信號會出現在輸出上。

    觀察最終的輸出波形，輸入信號的正半周被“削掉（clipped off）”了，因此這個電路被稱為并聯正向限幅電路（positive parallel clipper）。

    等效電路如下：



                                       ▲負半周二極管截止相當于開路


    實際電路中二極管兩端會有壓降，假設壓降為Vf，則實際情況如下：

    . 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正向限幅電路：



                                        ▲并聯正向限幅電路

    覆銅板上焊接電路如下：



                           ▲覆銅板上的并聯正向限幅電路

     示波器波形截圖如下：



                              ▲并聯正向限幅電路波形圖

    4、并聯負向限幅電路

    把上面電路中二極管掉個個，電路將會變?yōu)橐粋€并聯負向限幅電路（Shunt Negative Clipper）：



                                          ▲并聯負向限幅電路

    此電路中，在輸入信號的正間隔期間，二極管反向偏置，因此開路。在正半周，輸出與輸入信號直接平行。因此，輸入信號會出現在輸出上。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0V。

    等效電路如下：



                     ▲正半周截止相當于開路，負半周導通相當于短路


    實際電路中二極管兩端會有壓降，假設壓降為Vf，則實際情況如下：


    . 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負向限幅電路：



                                         ▲并聯負向限幅電路

    覆銅板上焊接電路如下：



                              ▲覆銅板上的并聯負向限幅電路

    左邊的是之前焊接的并聯正向限幅電路。

    示波器波形截圖如下：



                                   ▲并聯負向限幅電路波形圖

    5、雙向限幅電路

    如果我們如圖所示反向并聯兩個二極管，那么正負半周都會被削波（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，實際的削波點分別出現在0.7伏和–0.7伏。

    6、偏置限幅電路

    上面的限幅電路在零伏或者更準確的說二極管正向壓降Vf處進行限幅，但可以通過添加偏置電壓將限幅電壓設置為任何所需值。

    7、偏置并聯正向限幅電路

    如下圖所示，這是正偏置并聯正向限幅電路（Shunt Positive Clipper with Positive Bias Voltage）。



                                   ▲正偏置并聯正向限幅電路


    將偏置電壓Vbias與二極管串聯可以產生任意電平的二極管限幅電路。串聯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，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，二極管導通，此時，輸出等于Vf+Vbias：

    . 當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=Vin

    8、偏置并聯負向限幅電路

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


                               ▲負偏置偏置并聯負向限幅電路

    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時二極管才會導通。

    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，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，二極管導通，輸出信號等于-Vibas-0.7V：

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

    9、總結

    串聯限幅電路二極管導通時允許輸入信號通過，并聯限幅電路二極管截止時允許輸入信號通過。

    串聯限幅電路通過的信號有0.7V左右的降幅，并聯限幅電路通過的信號沒有降幅，完整通過。

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

    對于二極管限幅電路，我們在分析時可以先把二極管想象成理想二極管，然后通過將導通二極管在等效電路中替換成一段導線，將截止二極管在等效電路中替換成開路的形式來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）的實際二極管，這樣可以極大有利于我們理解這種電路。