B2 · ダイオード
クリッピングとクランピング: ダイオードで波形を作る
一方向弁一つで信号の形を変える。山を切り取るクリッピングをまず自分で調節し、同じダイオードが基準線を移すクランピングへつなげる。
閾値を下げて山を切る
薄い曲線が入力、太い曲線が出力だ。ダイオードの閾値を下げてみよう。閾値を超えた部分が切り取られ、山が平らになる。
クリッピング閾値 VclipVclip = 0.95
出力の山
Vout = Vin
閾値が山より高い。ダイオードが一度も入らず、出力は入力のままだ。
切らない
並列のダイオードが山を捉える
信号と並列にダイオードを置き、その反対側を基準電圧につなぐ。入力がその基準にダイオードの閾値を足した値を超えると、ダイオードが入って大電流を流し、出力電圧をその値に固定する。それより上は入力がいくら上がっても出力は追えず、切り取られる。これがクリッピングだ。
直列コンデンサを足すとクランピング
今度はダイオードを信号と直列にし、コンデンサと組み合わせる。最初の山でダイオードが入りコンデンサが山の分だけ充電され、ダイオードが切れた後はその電荷を閉じ込めて一定の直流電圧を信号に足す。だから波形の形はそのままで、全体が上か下へまるごと移る。切らずに基準線だけを変えるのがクランピングだ。
薄い曲線が入力、太い曲線がクランプされた出力だ。形は同じで基準線だけが上がった。
同じ弁、二つの使い方
クリッピングもクランピングも結局、ダイオードが閾値で電圧を捉える同じ動作だ。信号と並列に置けばその上を切って限界を定め、直列コンデンサと組めば一度捉えた電圧を直流として足し、基準線を移す。何を切るか移すかは基準電圧とダイオードの向きが決める。
観察Vout = min(Vin, Vclip)
理想クリッパは出力を閾値で切る。
選ぶVclip = Vref + ?
実際の閾値は基準電圧にダイオード降下を足した値だ。
空欄Vout = Vin + ?
クランピングは入力に一定の直流を足す。
自分でVdc ≈ ?
足される直流はコンデンサが充電した山の値だ。
最初の画面に戻ると
閾値を下げるほど山が切られ、出力の上側が平らになった。その平らな線は、ダイオードが入って出力を一つの値に固定した跡だ。直列コンデンサを足せば、同じ固定が波形を切る代わりにまるごと持ち上げる。結局クリッピングとクランピングは、ダイオードが閾値で電圧を固定するという一つの事実の二つの顔だ。B1の一方向弁がこうして信号を作る道具になる。
クリッピングは信号と並列のダイオードで閾値を超える部分を切り、限界を定める(Vout = min(Vin, Vclip))。クランピングはダイオードと直列コンデンサで波形の形はそのままに一定の直流を足し、基準線を移す(Vout = Vin + Vdc)。どちらも一方向弁が閾値で電圧を固定する同じ原理の二つの使い方だ。
次へつながる流れ
これまでダイオードは順方向で働いた。次のユニットではわざと逆方向へ深く押し込み、ある電圧で突然崩れるように電流を流しその電圧を固く保つツェナーダイオードに出会う。クランピングが基準線を移したのに対し、ツェナーは出力電圧そのものを一定に固定する定電圧の道具だ。