一起学习二极管限幅（Clipper）电路

1万 · 2023-2-28 12:27

今天我们来一起学习二极管限幅（Clipper）电路。

大多数电子电路（如放大器、调制器和许多其他电路）都要求输入信号在特定的电压范围内。任何幅度超过规定电压范围的信号都会在输出时失真，严重的可能导致电路器件损坏。

为了让输入信号在处理电路的电压要求范围内，通常需要对波形进行削波（clipping）。对波形进行削波可以“限幅”输入信号的一部分，但不会影响剩余部分。

根据电路中二极管的位置，限幅电路分为两种：

串联限幅电路（Series Clippers）
并联限幅电路（Parallel Clippers or Shunt Clippers）

串联限幅电路中二极管和负载串联，并联限幅电路中二极管和负载并联。

下图分别是串联和并联限幅电路：

串联和并联限幅电路

串联负向限幅电路

下图是串联负向限幅电路（Series Negative Clipper），也被称为半波整流电路（half-wave rectifier）：

串联负向限幅电路

现在让我们看看为什么这个电路被称为串联负向限幅电路，我们使用正弦信号进行分析：

使用正弦信号分析串联负向限幅电路

在输入信号的正半周，二极管正向偏置并处于导通状态。因此，二极管导通，输入信号的正半周出现在输出。对于理想二极管，二极管两端的压降为 0V，当它正向偏置时，可以把二极管等效为一段导线。在此期间，输出与输入完全相同，因此输出电压恰好等于输入信号的正半周：

正半周二极管导通相当于短路

在输入信号的负半周期间，二极管反向偏置。因此二极管处于关断状态，造成开路。因此，在此期间没有输出。电路“剪掉”了输入信号的负半周。这就是为什么这个电路被称为串联负向限幅电路。等效电路如下：

负半周二极管截止相当于开路

上面是理想电路的分析，实际二极管是压降的，我们假设它的压降为 Vf：

正半周期间，输出电压 Vout = Vin - Vf
负半周期间，输出电压 Vout = 0V

我们用下面的电路测试串联负向限幅电路：

串联负向限幅电路

覆铜板上焊接完的电路如下：

覆铜板上的串联负向限幅电路

波形截图如下：

串联负向限幅电路波形图

如果你仔细看正弦波的整流波形，会发现波形顶部少了一块。那是因为完美的二极管是不存在的。所有的二极管都有一个所谓的正向压降(Voltage drop or Vf)。这意味着每当电流正向流过二极管时，电压通常会降低 0.7 伏左右。

串联正向限幅电路

只需要将二极管掉个个，我们就可以得到串联正向限幅电路（Series Positive Clipper）：

串联正向限幅电路

在输入信号的正半周期间，二极管反向偏置。因此二极管处于断开状态，相当于此处开路。因此，在此期间没有输出。电路“剪掉”了输入信号的正半周。等效电路如下：

正半周二极管截止相当于开路

在输入信号的负半周，二极管正向偏置并处于导通状态。因此，二极管导通，输入信号的负半周出现在输出。在理想分析中，二极管两端的压降为 0V，当它正向偏置时，可以把二极管等效为一段导线。在此期间，输出与输入完全相同。等效电路如下：

负半周二极管导通相当于短路

实际电路中二极管两端会有压降，假设压降为 Vf, 则实际情况如下：

正半周期间：输出电压 Vout =0V
负半周期间：输出电压 Vout = Vin+Vf

注意，负半周 Vin 为负。Vf 是二极管的正向压降。

我们用下面的电路测试串联正向限幅电路：

串联正向限幅电路

覆铜板上焊接完的电路如下：

覆铜板上的串联正向限幅电路

左边的是之前焊接的串联负向限幅电路，右边的是串联正向限幅电路

波形截图如下：

串联正向限幅电路波形图

并联正向限幅电路

下面是并联正向限幅电路（Shunt Positive Clipper）：

并联正向限幅电路

在输入信号的正半周，二极管正向偏置并处于“导通状态”。因此，对于理想二极管，可以把此时的二极管等效成一段导线。这会导致电阻右侧对地短路。因此，输出也对地短路，所以，在此期间，没有输出。等效电路如下：

正半周二极管导通相当于导通

在输入信号的负半周，二极管反向偏置并处于“截止”状态。这导致电路中的电阻与地的连接断开。进而导致输出与输入并联。因此，输入信号会出现在输出上。观察最终的输出波形，输入信号的正半周被“削掉（clipped off）”了, 因此这个电路被称为并联正向限幅电路（positive parallel clipper)。等效电路如下：

负半周二极管截止相当于开路

实际电路中二极管两端会有压降，假设压降为 Vf, 则实际情况如下：

正半周期间：输出电压 Vout =Vf
负半周期间：输出电压 Vout = Vin

我们用下面的电路测试并联正向限幅电路：

并联正向限幅电路

覆铜板上焊接电路如下：

覆铜板上的并联正向限幅电路

示波器波形截图如下：

并联正向限幅电路波形图

并联负向限幅电路

把上面电路中二极管掉个个，电路将会变为一个并联负向限幅电路（Shunt Negative Clipper）：

并联负向限幅电路

此电路中，在输入信号的正间隔期间，二极管反向偏置，因此开路。在正半周，输出与输入信号直接平行。因此，输入信号会出现在输出上。而在输入信号的负半周，二极管正向偏置并因此短路。在此期间，输出电压理想情况下等于 0 V。等效电路如下：

正半周截止相当于开路，负半周导通相当于短路

实际电路中二极管两端会有压降，假设压降为 Vf, 则实际情况如下：

正半周期间：输出电压 Vout = Vin
负半周期间：输出电压 Vout = -Vf

我们用下面的电路测试并联负向限幅电路：

并联负向限幅电路

覆铜板上焊接电路如下：

覆铜板上的并联负向限幅电路

左边的是之前焊接的并联正向限幅电路。

示波器波形截图如下：

并联负向限幅电路波形图

双向限幅电路

如果我们如图所示反向并联两个二极管，那么正负半周都会被削波（Clipping of Both Half Cycles），因为二极管 D1 削波了正弦输入波形的正半周，而二极管 D2 削波了负半周：

双向限幅电路

对于理想二极管，上面的输出波形为零。然而，由于二极管上的正向偏置电压降，实际的削波点分别出现在 0.7 伏和 –0.7 伏。

偏置限幅电路

上面的限幅电路在零伏或者更准确的说二极管正向压降 Vf 处进行限幅，但可以通过添加偏置电压将限幅电压设置为任何所需值。

偏置并联正向限幅电路

下图是正偏置并联正向限幅电路（Shunt Positive Clipper with Positive Bias Voltage）:

正偏置并联正向限幅电路

将偏置电压 Vbias 与二极管串联可以产生任意电平的二极管限幅电路。串联组合两端的电压必须大于 Vbias +0.7V 二极管才能导通。例如，如果 Vbias 电平为 4.0V, 那么二极管正极的电压必须大于 4.0 + 0.7 = 4.7V 才能让二极管导通。任何高于此偏置电压的电平会被剪掉。

在输入信号的正半周，当输入信号从 0V 上升到 Vf+Vbias 时，二极管处于截止状态，输出信号等于输入信号。当输入信号大于 Vf+Vbias 时，二极管导通，此时，输出等于 Vf+Vbias:

当 Vin < Vf + Vbias, 输出 Vout = Vin
当Vin > Vf + Vbias, 输出 Vout = Vf + Vbias

在输入信号的负半周，二级管处于截止状态，输出信号等于输入信号：

Vout = Vin

偏置并联负向限幅电路

下图是负偏置并联负向限幅电路（Shunt Negative Clipper with Negative Bias Voltage）:

负偏置并联负向限幅电路

电路中，偏置电源的负极反向偏置二极管，只有当输入信号小于 -Vbias - 0.7V 时二极管才会导通。

在输入信号信号的正半周，二极管处于截止状态，输出信号等于输入信号：

Vout = Vin

在输入信号的负半周，当输入信号大于 -Vbias - 0.7V 时，二极管截止，输出信号等于输入信号；当输入信号小于 -Vbias - 0.7V 时，二极管导通，输出信号等于 -Vibas - 07.V：

当 Vin > -Vbias - 0.7V, 输出 Vout = Vin
当 Vin < -Vbias - 0.7V, 输出 Vout = -Vbias - 0.7V

总结

串联限幅电路二极管导通时允许输入信号通过，并联限幅电路二极管截止时允许输入信号通过。

串联限幅电路通过的信号有 0.7V 左右的降幅，并联限幅电路通过的信号没有降幅，完整通过。

串联限幅电路可以在 0V 截止信号，并联限幅电路截止位置则在 ±0.7V 左右。

对于二极管限幅电路，我们在分析时可以先把二极管想象成理想二极管，然后通过将导通二极管在等效电路中替换成一段导线，将截止二极管在等效电路中替换成开路的形式来理解出输出波形应该是什么样子，在此基础上，再将理想二极管替换成带有正向压降（0.7V 左右）的实际二极管，这样，可以极大有利于我们理解这种电路。

1万 · 2023-2-28 12:28

串联限幅电路二极管导通时允许输入信号通过，并联限幅电路二极管截止时允许输入信号通过。
串联限幅电路通过的信号有 0.7V 左右的降幅，并联限幅电路通过的信号没有降幅，完整通过。

只看该作者 · 2023-8-18 09:48

学习学习，学习学习。

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