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[技术讨论]

二极管电容的电路讨论

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楼主
本帖最后由 kk的回忆 于 2023-2-4 16:30 编辑

#申请原创#  
@21小跑堂
最近看到公司的硬件工程师笔试题目,有一个基础的电路图,发现有不少工作几年的工作经验的应聘者都没有很正确的回答。就是下面的电路图,输入信号是1KHz,幅值是2V的正弦波,二极管是理想的,没有压降损失。需要画出输出out的波形;

对于这种基础的电路,现在分析的方法很多,再直接的方法就是仿真,很快就能得到结果。但是为什么输出波形是在输入信号基础上整体下移2V,这种电路也被称为正峰钳位电路。

如果是刚毕业的同学,对于这种电路的分析可能更加得心应手的。在冯军教授的《电子线路》这本教材中,对这个电路有很详细的分析。主要是从电容不能突变,二极管单向导通性的角度进行阐述,描述的很准确。我也专门回去翻了下当时的教材,还做了不少笔记的,就还算记得比较牢固;可是这种两三百字的文字描述,在课堂上可能记下来了,对付考试也没有问题的。在实际工作中就长久不去涉及,就很容易忘记的,实际容易忘记,也是对于这种电路没有深入理解,是一种机械式的**。

在实际工作中,项目越做越多,需要掌握的资料太多了,需要更加印象深刻的方式分析电路图。这个电路通过分析电容充电电压的单调性质,不用那么多文字和描述过程中的逻辑关系,因此更加容易理解深刻;
对于理想二极管,VF=0,没有反向漏电流;只要施加在二极管两端的电压大于0V,就导通。反之就截止,下图是理想二极管的伏安特性曲线,有了这个前提条件,分析就容易了;

对于需要分析的二极管+电容电路
Vi=Vd+Vc
Id=ic=C*dVc/dt
二极管正向导通Vd≥0,就会有电流流过,所以id≥0,ic≥0
因此, C*dVc/dt≥0
对于实际电路中,电容容量一般都是大于0的,所以dVc/dt≥0
dVc/dt是一个电容电压对时间的求导函数,表明在二极管正向导通的时段内,用数学函数来说明电容电压Vc是时间t的非减函数,电容上的电压是只能增加或者保持不变。用电容的物理特性来表明,电容只能充电不能放电了;

一旦二极管Vd<0,那么id=0,就不能用电流流入电容。
由于二极管没有漏电流,电容也不可能放电,电容的电压Vc就稳定在上一周期的充电电压;
只要二极管截止,电容两端电压Vc就持续稳定不变;
有了这个前提,再来看实际Vi的波形,就可以理解仿真得到的Vout波形;
简单计算RC组成的滤波电路,截止频率是大于输入信号频率,输入信号可以通过10uF电容;
在Vi第一个四分之一周期,二极管是导通,电容持续充电,Vc=Vi,Vout=0
当Vi到了四分之一周期处,Vi=Vimax=2V,电容电压Vc=Vimax=2V,
随后时段Vi会减少,那么二极管就截止,电容电压持续稳定,都是Vc=Vimax=2V
以后时间,Vi电压电压都不会超过Vimax=2V,那么就说明二极管就持续截止,电容电压都   一直是Vc=2V,输出电压 Vout=Vi-Vc,Vout=Vi-2V
   从这里就可以看出,经过输入四分之一周期后,输出电压就在输入电压基础下下移2V。
尽管在这里分析也写的有些多, 但是只有一个结论:二极管+电容电路的单调充电性质。
只要记住二极管导通就充电,二极管截止,电容电压就保持不变。
不管输入电压怎么变,都记住Vout=Vi-Vc, 整个电路分析就简单了。而且可以拓展到很多不同电路,比如下面将二极管调转一个方向,就是负峰钳位电路,按照教材上面的分析,又是一大推的分析。有了上面的结论,就很简单:
在二分之一周期,二极管截止,Vo=Vi ,Vc=0
在四分之三周期,二极管导通,电容充电Vc=Vi,直到充电到Vc=-Vimax=-2V,  Vo=0(此时应该是电容放电,用充电叙述是统一上下文)
在随后输入时间内,电容电压不能充电到比-Vimax更大,二极管截止,此时Vc=-2V,恒定不变
Vo=Vin-Vc=Vin+2V
输出电压在输入电压基础上上移2V,至此分析结束


这种电路,看似简单,但是也有几个不同阶段。
有了二极管+电容电路的单调充电性质,应用在不同电路分析都是可以的,理解的也更深入;

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21小跑堂 2023-2-6 10:47 回复TA
分析细致,文章整体篇幅不长,但是大多数篇幅均为细致的分析,感谢分享 
王栋春 2023-2-4 22:38 回复TA
由浅至深有理有据,楼主分析的非常详细。 
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沙发
Siderlee| | 2023-2-5 16:02 | 只看该作者
本帖最后由 Siderlee 于 2023-2-5 17:14 编辑

主动学习  给分

楼主可以尝试以下把 输入频率和电容,负载电阻扩展一下,比如,输入频率变为10hz

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板凳
kk的回忆|  楼主 | 2023-2-6 09:04 | 只看该作者
Siderlee 发表于 2023-2-5 16:02
主动学习  给分

楼主可以尝试以下把 输入频率和电容,负载电阻扩展一下,比如,输入频率变为10hz ...

嗯嗯,好的,下次有时间再做个分析

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21小跑堂 打赏了 50.00 元 2023-02-06
理由:恭喜通过原创审核!期待您更多的原创作品~

地板
coody| | 2023-2-6 12:02 | 只看该作者
简单电路啊,二极管嵌位电路,读数时算最简单电路了。
RC=10ms,正弦波频率1000Hz,则在负半波时幅度变化不大,二极管是理想二极管,可以将电容当做一个固定的2V偏置电压,于是,输出就是将输入下移了2V。

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5
LOTO虚拟示波器| | 2023-2-6 19:25 | 只看该作者
分析的很细致:)

乐拓(LOTO)多年专注虚拟示波器,强调软件,精简硬件,专业研发示波器及周边模块。软件强大,功能丰富可扩展,是LOTO示波器持续追求的客户价值。www.loto-ins.com

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lgh67831| | 2023-2-7 16:32 | 只看该作者
学习了,拟找本冯军教授的《电子线路》看看

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