二极管钳位电路：原理与应用详解

二极管钳位是什么意思？

众所周知，二极管是一种由PN结制成的半导体，只要施加的电压大于结电压，电流就会流过二极管，在负偏压下，只要两端电压不超过击穿电压，二极管就会处于非导通状态。在这种状态下，二极管就像一个开路，因为反向偏置的PN结阻止电子流过。

而钳位二极管就是在电路中应用这两种特性来操纵输入电压，也就是说将输入输出信号波形的某一部分固定在选定电平的这个电路就被叫做钳位电路。

什么是二极管钳位电路？

二极管钳位电路用于将信号的正峰值或负峰值置于所需要的电平。直流分量被简单地添加到输入信号中或从输入信号中减去，钳位电路也被称为IC恢复器和交流信号电平转换器。

在某些情况下，例如电视接收器，当信号通过电容耦合网络时，它会失去其直流分量。这是当使用钳位电路以将直流分量重新建立到信号输入中时。尽管在传输中丢失的直流分量与通过钳位电路引入的直流分量不同，但在某个参考电平上确定正或负信号偏移的极值的必要性很重要。

钳位电路也称为直流电阻，主要功能是将一些直流电平添加到输入交流信号中。下图中显示了钳位电路，它在输入交流信号中添加了一个正直流电平。

二极管钳位电路图详解

对于该电路的实际工作，假设波的负循环通过二极管。在信号二极管的负半部分处于正向偏置状态期间，由于钳位电路中的电容器充电至值(Vp(in)–0.7V)，如上图所示。

二极管在信号的负峰值后变为反向偏置。这是由于阴极放置在接近电容充电值的Vp(in)–0.7V附近。电荷可以通过负载电阻RL释放其存储的电荷。因此，从一个负半周期到其他电容的信号变化会损失较少的电荷值，电荷的释放取决于负载电阻RL。

如果电容在输入信号期间失去充电，则钳位动作可能会受到干扰。

如果时间常数RC是输入信号周期的一百倍，则钳位电路的效率会很高。

如果时间常数是输入信号周期的10倍，那么由于充电电流，它在接地电平上的变化（失真）会更小。

钳位电路的最终效果是电容器保持的电荷几乎等于输入信号的极值（峰值）减去二极管两端的电压降。电容提供的电压就像与输入信号串联的电池一样工作。电容提供的直流电压将与输入信号相加并叠加。如下图所示。

二极管钳位电路图详解

如果改变二极管的位置，那么负直流电压会与输入信号相加，以产生类似于下图所示的输出，这种类型的电路布置称为负钳位。

二极管负钳位电路

二极管钳位电路怎么使用？

对于钳位电路，至少需要三个元件——二极管、电容和电阻。有时还需要一个独立的直流电源来引起额外的转变。钳位电路的要点是：

1、波形的形状相同，但其电平向上或向下移动

2、由于钳位电路，波形的峰峰值或均方根值不会发生变化。因此，输入波形和输出波形将具有相同的峰峰值，即2Vmax。还必须注意的是，交流电压表中的输入电压和钳位输出电压的读数相同

3、电阻R和电容C的值会影响波形

4、电阻R和电容C的值应由电路的时间常数方程t=RC确定。这些值必须足够大，以确保电容C两端的电压在二极管不导通的时间间隔内不会发生显着变化。在一个好的钳位电路中，电路时间常数t=RC应该至少是输入信号电压时间周期的十倍。

二极管钳位电路原理

1、正钳位电路

在下图中，你可以看到正钳位电路的电路布置。该电路由电压源Vi、电容C、二极管和负载电阻组成。

二极管与负载电阻RL并联组合。由于这种安排，正钳位电路将允许在二极管处于反向偏置状态时通过输入波形，并在二极管处于正向偏置状态时停止输入信号流动。

正二极管钳位电路图

正输入半周期：当输入波形的负周期通过二极管时，它处于正向偏置状态，允许电流流过负载电阻。

由于这个电流电容被充电到输入波形的峰值Vm。电容的充电极性与二极管两端的信号极性相反。在达到极值点-Vm后，电容器保持存储的电荷，直到该点二极管处于正向偏置状态。

负输入半周期：当输入信号的正半部分通过二极管时，它处于反向偏置状态，没有电流流过二极管。因此，二极管输入信号上的零电流流向负载电阻。

在正循环期间，二极管不处于工作状态，因此电容释放其存储的电荷。因此，负载电阻两端的电压将由于输入源Vm提供的电荷存储和电压而增加电容器Vm两端的电压。(Vo=Vm+Vm=2Vm)。这两个电压的极性也相似。结果，信号向上移动，发生在正钳位电路中。

2、负钳位电路

正输入半周期：当正循环通过电路时，二极管处于正向偏置状态，因为零信号跨过负载电阻。

由于二极管电流的正向偏置通过负载电阻。由于该电流，电容被充电到具有相反极性（-Vm）的输入信号的极值，并且该电荷一直保持到该二极管处于正向偏置状态。

负二极管钳位电路图

负输入半周期：当电路出现负循环时，二极管处于反向偏置状态，因此信号通过负载电阻退出。由于反向偏置电流不流过二极管。

因此来自输入源的电流流向负载电阻。在负半部分，二极管处于非工作状态，二极管上存储的电荷将消失。

因此，负载电阻两端的电压将是电容器两端的电压-Vm和输入源电压-Vm的相加，即(-2Vm)。由于原始信号移动到x轴下方。

二极管偏置钳位电路

在某些电路中，需要对输入信号的直流电平进行额外的偏移。出于这些目的，使用了二极管偏置钳位电路。

偏置电路和无偏置电路之间的区别在于，在偏置电路中，额外的直流电源用于直流元件。

1、具有正偏置的正二极管钳位电路

如果电路中具有正偏置，则偏置钳位电路称为具有正偏置的正钳位电路。该电路具有直流电源或直流电源、负载电阻、电容和二极管。

正偏置的正二极管钳位电路

对于正输入半周期：当输入源的正周期穿过二极管时，当输入源的输入电压值小于直流电源时，与二极管相连的直流源使其处于正向偏置状态。

由于该电流电容也被充电。当输入源提供的电压大于直流源的电压时，电流停止流过二极管，因为二极管现在处于反向偏置状态。

对于负输入半周期：对于输入电源和直流电源的负半周期，二极管处于正向偏置状态。由于这个电流流过二极管。由于这个电流电容被充电。

2、带负偏置的正二极管钳位电路

对于负半周期：对于由电池引起的负半周期，如果电池电压大于输入电源，电压二极管将变为反向偏置。因此，负载电阻上会有信号出口。

如果电池电压低于输入电源电压，则电流将通过二极管，与反向偏置条件相反。该电流将为电容充电。

负偏置的正二极管钳位电路

对于正半周期：对于电池和输入源的正半周期，二极管处于反向偏置状态。因此信号将通过负载电阻退出。

负载电阻上的信号幅度等于输入源电压和电容器两端电压的叠加。

3、带正偏置的负二极管钳位电路

对于正半周期：对于正半部分，循环二极管由于电池电压而反向偏置，如果输入电压小于电池电压，则会发生这种情况。

当电池提供的电压小于输入源时，由于输入源的电压和电流通过二极管，二极管处于正向偏置状态。由于此电流，电容将被充电。

正偏置的负二极管钳位电路

对于负半周期：输入电源和电池的负半周期，二极管处于反向偏置状态。由于反向偏置信号在负载电阻上存在。

4、带负偏置的负二极管钳位电路

对于正半周期：对于直流电池的正半部分和电压源二极管都处于正向偏置状态。由于此电流将通过电容并充电。

负偏置的负二极管钳位电路

对于负半周期：对于负半周期，如果电池电压大于输入电压，则二极管处于正向偏置状态。

由于输入源电压的值大于电池二极管的电压，因此由于输入电压而处于反向偏置状态，现在信号通过负载电阻退出。

钳位二极管保护电路

钳位二极管保护电路：由两个反向串联的二极管组成。一次只能打开一个二极管，另一个处于关闭状态。结果，它的正向和反向压降将被钳位到二极管的正向导通。电压降在0.5-0.7以下，保护电路。

钳位电路的作用是将周期性变化的波形的顶部或底部保持在一定的直流电平上。以常见的二极管钳位电路为例，假设输入信号，在零时刻，uO(0+)=+E，uO产生幅度为E的正跳变。

之后，在0到t1之间，二极管D导通，电容的充电电流C非常大，uC很快就等于E，导致uO=0。在t1，ui(t1)=0，uO再次出现幅度-E跳跃。

在t1~t2期间，D关断，充电电容C只能通过R放电。通常R的值很大，导致uC下降很慢，uO变化很小。

在t1时，uI(t2)=E，uO有幅度E的跳跃。在t2到t3期间，D导通，电容器C充电。与0到t1期间不同，此时电容上储存了大量电荷，因此充电时间更短，uO降为零的速度更快。

稍后重复上述过程，uO和uC的波形。可以看出，uO的顶部基本被限制在零电平，所以该电路称为零电平正峰值（或顶部）钳位电路。

将二极管反向连接，将输入矩形波的底部钳位为零电平，形成零电平负峰值（或底部）钳位电路。

三极管钳位电路，如果把它的BE结也看成一个二极管，那么，就钳位原理而言，所示电路完全一样，只是电路也有放大作用。

二极管钳位电路取值

通常，钳位电路取决于电容时间常数的变化。时间常数应足以使电容器电压在整个非导通二极管期间不会显着放电。

应该选择电容和电阻的值，以使电路保持较高的时间常数。为了防止电容器快速放电，电阻值应该很高。

在整个二极管导通期间，电容充电应该是高速的。为此，我们选择较小的电容值。

二极管钳位电路的作用

1、使用钳位二极管的瞬态保护

钳位二极管不仅仅是为了改变电压基线。它们在缓解瞬态事件方面非常有用，尤其是ESD和雷电浪涌。例如，当输入电压高于Vh时，D1正向偏置。因此，过多的电流流过D1而不是负载。限流电阻器通常放置在二极管之前，以确保后者在限制范围内工作。

钳位二极管瞬态保护电路

当输入电压降至VL以下时也是如此，这将激活D2。通过将过多的电流从负载中引开并保持电压低于Vh，二极管有助于防止瞬态电压损坏组件。

通常，选择具有较大电流处理能力、低结电压和快速导通时间的二极管用于ESD或浪涌保护。限流电阻器还必须能够在大量电流通过时禁用大量热量。

2、用于保护GPIO

GPIO的内部电路结构中使用了钳位二极管电路，如下图所示。它的作用是防止从外部I/O管脚输入的电压过高或过低对内部电路造成损坏。

如果从Pin输入的信号（假设任何输入信号都有一定的内阻）电压超过VDD加上上二极管的导通压降（驱动0.7V），二极管就会导通，多余的电流会被拉到VDD,并且输入到内部的真实信号电压不会超过VDD+0.7V。

同样，如果从Pin输入的信号电压低于VSS，由于下二极管的作用，实际输入的内部信号电压将被钳位在VSS-0.7V左右。

钳位二极管保护GPIO电路

GPIO的电路配置：GPIO的参考电源VDD由钳位二极管D1的阴极上拉，钳位二极管D2的阳极接GND。

当输出电压大于VDD时；D1导通，D2截止，Pin的电压为VDD（忽略二极管的导通压降）；

当输入电压小于GND时；D1关断，D2导通，Pin的电压为GND（忽略二极管的导通压降）；

因此，可以将输入电压范围控制在[GND,VDD]之间，以保护Pin不受损坏。如何判断GPIO是否损坏？方法如下：

首先将万用表调到二极管位置，红色表笔接到主板的GND，黑色表笔接到测试GPIO管脚。此时要测量二极管D2是否损坏。测试值为二极管的导通值，一般范围为0.4-0.6V。超出此范围是二极管击穿。

其次，将红色表笔连接到测试GPIO引脚，黑色表笔连接到GND。此时要测量二极管D1是否损坏。

添加钳位二极管可以保护单片机的输入和输出端口。

如上图，添加两个肖特基二极管作为钳位二极管可以有效防止GPIO被静电击穿。当电压大于VDD时，D1导通，静电通过D1释放到VDD；当电压小于GND时，D2导通，静电通过D2释放到GND。由于需要快速释放静电，一般选择肖特基二极管或快速开关二极管作为钳位二极管。

3.其他用途

钳位电路也经常用于各种显示装置。在示波器和雷达显示中，采用钳位电路来恢复扫描信号的直流分量，以解决扫描速度变化引起的屏幕上图像位置移动的问题。

在电视系统中，利用钳位电路将全电视信号的同步脉冲的顶部保持在一个固定的电压，以克服由于直流分量的丢失或干扰而引起的电平波动，从而实现信号的分离。

钳位二极管会产生钳位电压。它限制的对象可以是需要过压保护的对象，例如开关电源中的MOS管。需要一个钳位网络来限制D极和S极之间的电压，以保护MOS免受损坏。