二極管的基本應用——鉗位

二極管的單向導電性使其在整流、限幅、鉗位、開關、檢波和續流等電路中有著廣泛的應用。為了讓小伙伴們更好的理解和掌握二極管的工作原理，我們將在后續推出系列專題分別討論二極管在這些功能電路中的應用情況。本期為鉗位篇。

(資料圖片)

鉗位電路

1、什么是鉗位？

答： 鉗位是指將某點的電位限制在規定電位的措施。

上一期的限幅電路對波形的幅值進行削減。 在實際應用中，有時需要在原始波形的基礎上進行向上或向下的平移，將信號峰值在所需要的電平上，可以采用鉗位電路來實現。

2、鉗位電路有哪些？

答：鉗位電路按照平移電壓分為正鉗位電路、負鉗位電路；按照電路結構可分為簡單鉗位和帶偏差的鉗位電路。

3、鉗位電路的工作原理是什么？（為簡化分析，以下均假設二極管為理想的，時間常數RC遠大于信號周期）

正鉗位電路

簡單的正鉗位電路

電路：

工作原理：

以輸入正弦信號為例進行分析。

（1）0~T/2，uI>0，

假設t=0時刻電容未充電，則此時 UD-= uI >0，又UD+= 0V，即 UD= - uI <0，D截止，

電容充電，充電回路如圖所示，但由于時間常數RC很大，uC變化不大，可以認為uO= uI。

（2）T/2~t1，uI<0，因為UD+= 0V，UD-≈uI <0， 即 UD= - uI >0，D導通， uO= 0。

電容充電，電容回路如下圖所示，與正半周情況不同，此時二極管視為短路，電容充電回路的時間常數很小，uC可迅速充至峰值UM。

（3）t1時刻uC已充至峰值UM，t1~T，uI<0，且|uI|< UM，UD+= 0V，UD-≈uI+ UM >0， 即UD= - uI - UM <0，D截止， uO= uI+UM，即與輸入信號相比，輸出信號有了大小為UM的直流偏移量。

（4）T~ 3T/2，uI>0，UD+= 0V，UD-≈uI+ UM >0，即UD= - uI - UM <0，D截止， uO= uI+UM，與輸入信號相比，輸出信號具有大小為UM的直流偏移量。

（5）3T/2~ 2T，uI<0，且|uI|< UM ，UD+= 0V，UD-≈uI+ UM >0，即UD= - uI - UM <0，D截止， uO= uI+UM，與輸入信號相比，輸出信號具有大小為UM的直流偏移量。

因此，在穩定狀態下，**uO= uI+UM，**與輸入信號相比，輸出信號具有大小為UM的直流偏移量。

具有偏置的正鉗位電路

電路：

工作原理：

以輸入正弦信號為例進行分析，假設UM >E。

（1）0~T/2，uI>0，

假設t=0時刻電容未充電，此時，UD-=0 ， 又UD+= E，則UD= E >0，D導通，二極管視為短路，電容迅速充電至E， UC = E ，充電回路如下圖所示。

隨后，UD+= E，UD-=uI +E，立即UD= - uI<0，D-stop，**uO= uI+ E**。

(2)T/2~t1，uI<0，UD+=E，UD-=uI+E，立即UD=-uI>0，D超前，**uO=E**。

此時，電容C迅速充電至E+UM， UC = E+UM 。

（3） t1 ~T，uI<0，UD+= E，UD-=uI + E+UM >E ，即UD=-uI-UM<0，D截止， uO= uI+UM+E。

與輸入信號相比，輸出信號具有大小為UM +E的直流偏移量。

（4）T~3T/2，uI>0，UD+= E，UD-=uI+E+UM >0，即UD=-uI-UM <0，D截止， uO= uI+UM+E。 與輸入信號相比，輸出信號具有大小為UM +E的直流偏移量。

（5）3T/2~ 2T，uI<0，且|uI|< UM ，UD+= E，UD-= uI + E+UM ，即UD= - uI - UM <0，D截止，uO= **uI+UM+E ** 。與輸入信號相比，輸出信號具有大小為UM +E的直流偏移量。

因此，在穩定狀態下， uO= uI+UM+E**，**與輸入信號相比，輸出信號具有大小為UM +E的直流偏移量。

負鉗位電路

簡單的負鉗位電路

電路：

工作原理：以輸入方波信號為例進行分析。

（1）0~T/2，uI=UM>0，假設t=0時刻電容未充電，則 UD+= uI >0 ，又UD-= 0V，即 UD= -uI >0，D導通， uO= 0*，在此區間，二極管視為短路，電容充電，且充電時間常數很小，充電回路如下圖所示，UC很快充至UM 。

（2）T/2~T ，uI=_UM<0，UD-=0V，UD+=-2UM <0，即UD=-2UM<0，D截止，uO=-2UM。

（3）在第二個正半周內，由于第一個負半周T/2~T時間段內，電容C通過R放電（即使時間常數很大），使得UC略小于UM，UD-=0V，UD+=UM- UC>0，即UD=UM-UC>0，D導通，二極管視為短路，電容C再次快速充電至UC=UM， uO=0。

（4）在第二個負半周內，uI=﹣UM，UD-= 0V，UD+=﹣2UM <0，即UD =﹣2UM <0，D截止， uO=-2UM。

因此， uO= uI-UM，與輸入信號相比，輸出具有大小為-UM的直流偏移量。

具有偏置的負鉗位電路

電路：

工作原理：

（1）0~T/2，uI=UM >0，UD+=UM， 又UD-=E，則UD=UM-E>0，D導通， UO=E 。

二極管視為短路，電容迅速充電至UM -E， UC = UM -E ，充電回路如下圖所示。

（2）T/2~ T ，uI=-UM <0，UD+=E-2UM ，UD-= E，則UD=-2UM<0，D截止，UO= E-2UM。

（3）在第二個正半周內，由于第一個負半周T/2~T時間段內 ，電容C通過R放電（即使時間常數很大），使得UC略小于UM-E ，UD-=E，UD+=UM-UC>0，即UD=UM-UC-E>0，D導通，電容C再次充電至UM-E， uO= E。

（4）第二個負半周內， uI=﹣UM，UD-= E，UD-= 0V，UD+=﹣2UM + E <0，即UD =﹣2UM <0，D截止， uO=﹣E2UM+ E 。

因此， uO= uI-UM+E，與輸入信號相比，輸出信號具有大小為-UM +E的直流偏移量。

總結

正鉗位電路

負鉗位電路