B2 · 二极管
钳幅与钳位:用二极管塑造波形
只用一个单向阀,就能改变信号的形状。这一单元先亲手调节削掉峰顶的削波,再接着看同一个二极管移动基准线的钳位。
降低门限,削掉峰顶
浅色曲线是输入,粗曲线是输出,金色虚线是二极管导通的门限。降低门限,超过这条线的部分就被削掉,输出的峰顶变平。用滑块找出门限要降到哪里,峰顶才会被整个削掉。
钳幅门限 VclipVclip = 0.95
输出波峰
Vout = Vin
门限高于峰值。二极管一次也不导通,输出与输入完全相同。
不削减
并联二极管按住波峰
让信号通过串联电阻,在输出端并联一个二极管,把它的另一端接到参考电压上。输入超过参考电压加二极管门限的值时,二极管导通并流过电流,多出的电压落在串联电阻上,输出被钳在这个值。在这之上,不管输入升得多高,输出都跟不上而被削掉,这就是削波。
加上串联电容便是钳位
钳位电路中,电容与信号串联,二极管与输出并联。输入到达负峰时二极管导通,电容充电到峰值大小;二极管截止后,电容保持这些电荷,给信号加上一个恒定的直流电压。所以波形形状不变,整体向上平移;把二极管反过来接,就向下平移。不削减任何部分、只改变基准线,这就是钳位。
浅色曲线是输入,粗曲线是钳位后的输出。形状相同,只有基准线上移,输出的下峰正好碰到横轴。
同一阀门,两种用法
削波和钳位归根到底是同一个动作:二极管在门限处把电压钳住。与输出并联并配上串联电阻,就削掉门限以上的部分、设定上限;配上串联电容,就把一次钳住的电压作为直流加上去,移动基准线。削掉什么、移向哪里,由参考电压和二极管的方向决定。
观察Vout = min(Vin, Vclip)
理想削波器在门限处削掉输出。
选择Vclip = Vref + ?
实际门限是参考电压加二极管压降。
填空Vout = Vin + ?
钳位给输入加上恒定的直流。
自己来Vdc ≈ ?
叠加的直流是电容所充到的波峰值。
回到第一屏
门限降得越低,峰顶被削得越多,输出上方越平。那条平线,是二极管导通后把输出钳在一个值上的痕迹。换成串联电容,同样的钳住动作就不再削减波形,而是把它整体抬高。归根到底,削波和钳位是“二极管在门限处固定电压”这一个事实的两副面孔,B1 的单向阀就这样成了加工信号的工具。
削波用串联电阻之后与输出并联的二极管,削掉超过门限的部分,设定上限(Vout = min(Vin, Vclip))。钳位用串联电容和与输出并联的二极管,在保持波形形状的同时加上恒定的直流,移动基准线(Vout = Vin + Vdc)。两者都是单向阀在门限处固定电压这一同一原理的两种用法。
接下来的脉络
到目前为止,二极管都在正向工作。下一单元有意把它深深推入反向,认识齐纳二极管:它在某个电压处突然像崩塌一样导通电流,同时牢牢守住这个电压。如果说钳位移动了基准线,齐纳就是把输出电压本身固定下来的稳压工具。