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    今天，我們學(xué)習(xí)的是二極管限幅（Clipper）電路。

    大多數(shù)電子電路（如放大器、調(diào)制器和許多其他電路）都要求輸入信號(hào)在特定的電壓范圍內(nèi)。任何幅度超過(guò)規(guī)定電壓范圍的信號(hào)都會(huì)在輸出時(shí)失真，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致電路器件損壞。


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


    根據(jù)電路中二極管的位置，限幅電路可分為以下兩種：


    . 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(fù)載串聯(lián)，并聯(lián)限幅電路中二極管和負(fù)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

    1、串聯(lián)負(fù)向限幅電路

    下圖是串聯(lián)負(fù)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(fù)向限幅電路


    現(xiàn)在讓我們看一看為什么這個(gè)電路被稱(chēng)為串聯(lián)負(fù)向限幅電路，我們使用正弦信號(hào)進(jìn)行分析。



                   ▲使用正弦信號(hào)分析串聯(lián)負(fù)向限幅電路


    在輸入信號(hào)的正半周，二極管正向偏置并處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，二極管導(dǎo)通，輸入信號(hào)的正半周出現(xiàn)在輸出。對(duì)于理想二極管，二極管兩端的壓降為0V，當(dāng)它正向偏置時(shí)，可以把二極管等效為一段導(dǎo)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(hào)的正半周。



                            ▲正半周二極管導(dǎo)通相當(dāng)于短路


    在輸入信號(hào)的負(fù)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(hào)的負(fù)半周。這就是為什么這個(gè)電路被稱(chēng)為串聯(lián)負(fù)向限幅電路。

等效電路如下：



                         ▲負(fù)半周二極管截止相當(dāng)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(shè)它的壓降為Vf：

    . 正半周期間，輸出電壓Vout=Vin-Vf

    . 負(fù)半周期間，輸出電壓Vout=0V

    我們用下面的電路測(cè)試串聯(lián)負(fù)向限幅電路：



                                   ▲串聯(lián)負(fù)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(fù)向限幅電路


    波形截圖如下：




                                 ▲串聯(lián)負(fù)向限幅電路波形圖


    如果你仔細(xì)看正弦波的整流波形，會(huì)發(fā)現(xiàn)波形頂部少了一塊。那是因?yàn)橥昝赖亩O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，每當(dāng)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。

    2、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(hào)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(dāng)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(hào)的正半周。


    等效電路如下：



                                      ▲正半周二極管截止相當(dāng)于開(kāi)路


    在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二極管正向偏置并處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，二極管導(dǎo)通，輸入信號(hào)的負(fù)半周出現(xiàn)在輸出。在理想分析中，二極管兩端的壓降為0V，當(dāng)它正向偏置時(shí)，可以把二極管等效為一段導(dǎo)線(xiàn)。在此期間，輸出與輸入完全相同。

    等效電路如下：



                                      ▲負(fù)半周二極管導(dǎo)通相當(dāng)于短路


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

    . 正半周期間：輸出電壓Vout=0V
    . 負(fù)半周期間：輸出電壓Vout=Vin+Vf

    這里需要注意的是，負(fù)半周Vin為負(fù)，Vf是二極管的正向壓降。

    我們用下面的電路測(cè)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(fù)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

    3、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(hào)的正半周，二極管正向偏置并處于“導(dǎo)通狀態(tài)”。因此，對(duì)于理想二極管，可以把此時(shí)的二極管等效成一段導(dǎo)線(xiàn)。這會(huì)導(dǎo)致電阻右側(cè)對(duì)地短路。因此，輸出也對(duì)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(dǎo)通相當(dāng)于導(dǎo)通


    在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二極管反向偏置并處于“截止”狀態(tài)。這導(dǎo)致電路中的電阻與地的連接斷開(kāi)，進(jìn)而導(dǎo)致輸出與輸入并聯(lián)。因此，輸入信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在輸出上。

    觀(guān)察最終的輸出波形，輸入信號(hào)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(fù)半周二極管截止相當(dāng)于開(kāi)路


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

    . 正半周期間：輸出電壓Vout=Vf
    . 負(fù)半周期間：輸出電壓Vout=Vin

    我們用下面的電路測(cè)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

    4、并聯(lián)負(fù)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(fù)向限幅電路（Shunt Negative Clipper）：



                                          ▲并聯(lián)負(fù)向限幅電路

    此電路中，在輸入信號(hào)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(hào)直接平行。因此，輸入信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在輸出上。而在輸入信號(hào)的負(fù)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(dāng)于開(kāi)路，負(fù)半周導(dǎo)通相當(dāng)于短路


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


    . 正半周期間：輸出電壓Vout=Vin
    . 負(fù)半周期間：輸出電壓Vout=-Vf

    我們用下面的電路測(cè)試并聯(lián)負(fù)向限幅電路：



                                         ▲并聯(lián)負(fù)向限幅電路

    覆銅板上焊接電路如下：



                              ▲覆銅板上的并聯(lián)負(fù)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(fù)向限幅電路波形圖

    5、雙向限幅電路

    如果我們?nèi)鐖D所示反向并聯(lián)兩個(gè)二極管，那么正負(fù)半周都會(huì)被削波（Clipping of Both Half Cycles），因?yàn)槎O管D1削波了正弦輸入波形的正半周，而二極管D2削波了負(fù)半周：



                                           ▲雙向限幅電路


    對(duì)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(xiàn)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(zhǔn)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(shè)置為任何所需值。

    7、偏置并聯(lián)正向限幅電路

    如下圖所示，這是正偏置并聯(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(dǎo)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(dǎo)通。任何高于此偏置電壓的電平會(huì)被剪掉。


    在輸入信號(hào)的正半周，當(dāng)輸入信號(hào)從0V上升到Vf+Vbias時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)大于Vf+Vbias時(shí)，二極管導(dǎo)通，此時(shí)，輸出等于Vf+Vbias：

    . 當(dāng)Vin
    . 當(dāng)Vin>Vf+Vbias，輸出Vout=Vf+Vbias

    在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二級(jí)管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)：

    . Vout=Vin

    8、偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路

    下圖是負(fù)偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路（Shunt Negative Clipper with Negative Bias Voltage）。


                               ▲負(fù)偏置偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路

    電路中，偏置電源的負(fù)極反向偏置二極管，只有當(dāng)輸入信號(hào)小于-Vbias-0.7V時(shí)二極管才會(huì)導(dǎo)通。

    在輸入信號(hào)信號(hào)的正半周，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)：

    . Vout=Vin

    在輸入信號(hào)的負(fù)半周，當(dāng)輸入信號(hào)大于-Vbias-0.7V時(shí)，二極管截止，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)小于-Vbias-0.7V時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出信號(hào)等于-Vibas-0.7V：

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

    9、總結(jié)

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

    串聯(lián)限幅電路通過(guò)的信號(hào)有0.7V左右的降幅，并聯(lián)限幅電路通過(guò)的信號(hào)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(hào)，并聯(lián)限幅電路截止位置則在±0.7V左右。

    對(duì)于二極管限幅電路，我們?cè)诜治鰰r(shí)可以先把二極管想象成理想二極管，然后通過(guò)將導(dǎo)通二極管在等效電路中替換成一段導(dǎo)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(yīng)該是什么樣子。在此基礎(chǔ)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。