钳位器（电子）

钳位器用于将 **直流电平** 添加到 **交流** 输入 **信号** 中。输入信号的摆幅等于输出信号的摆幅。但是，有时有必要在交流信号中添加一定的直流电平。具有这种增加信号电平能力的有能力被称为 **钳位电路**。钳位电路也称为 **直流恢复电路** 或 **直流插入电路**。

钳位电路由 **二极管、电阻器** 和 **电容器** 组成。二极管沿特定方向导通电流，并防止电路承受高电压。电阻器限制了二极管的电流，而电容器是电荷存储元件。

大多数电路的输入波形是交流 **正弦** 波形。交流电平是指正弦交流波形的电平。因此，它被称为交流电平。

直流电平被添加到输入信号中，该信号在不改变信号宽度的情况下将波形移动到所需电平（向上或向下）。之所以称为直流插入器，是因为它向输出波形添加了直流电压电平。我们也可以说钳位器增加了信号波形 Y 轴的数值。

分析钳位电路的步骤如下

1. 当二极管工作时，电容器存储电荷。
2. 当二极管不导通时，电容器利用存储的电荷来维持电路的电压电平。
3. 绘制输出波形。
4. 输出波形中引入的直流偏移可以是正的，也可以是负的。

钳位器类型

钳位器根据正直流偏移或负直流偏移分类为 **正钳位器** 和 **负钳位器**。

正钳位器

正钳位器电路如图所示

其中，

RL 是负载电阻

V_in 是输入电压

V_out 是输出电压

V_m 是电容器的最大电压

D 是二极管

下面显示了二极管的正负极

输入波形

输入波形包括正半周和负半周。正半周位于正 x 轴上方，负半周位于 x 轴下方，如图所示

这是正弦波形。下面显示了相对于轴的波形

彩色部分代表负半周，上半部分代表正半周。

工作方式

当输入电压的 **负半周** 应用于钳位电路时，二极管 D 导通并变为 **正向偏置**。此时，电压的正极与二极管的正极接触。电容器充电至最大电压 Vm。下面显示了电容器在负输入电压下的极性

处于导通状态的二极管变成短路，如下图所示

当电容器充满电时，它会存储最大值的能量。**大的 RC 时间常数** 有助于电容器长时间存储电荷。当二极管处于关断状态时，存储的能量会被利用。

在输入电压的 **正半周** 期间，二极管反向偏置且不导通。此时，正输入电压连接到二极管的负极。此时的输入电压等于电容器电压。

Vin = Vm

输出电压可以表示为

Vo = Vin + Vm

Vo = Vm + Vm

Vo = 2Vm

如果输入电压在输入周期的正半周期间为 -Vm，则输出电压将为 0。

Vo = Vin + Vm

Vo = -Vm + Vm

Vo = 0

输出波形

输入和输出波形如下

负钳位器

负钳位器电路如图所示

其中，

RL 是负载电阻

V_in 是输入电压

V_out 是输出电压

V_m 是电容器的最大电压

D 是二极管

可以通过反转正钳位器电路中二极管的方向来实现负钳位器。二极管的行为被认为是理想的。

工作方式

当输入电压的 **正半周** 应用于钳位电路时，二极管 D 导通并变为 **正向偏置**。电容器充电至最大电压 Vm。由于 RC 时间常数很大，电容器接收的电压是连续的。下面显示了电容器在正输入电压下的极性

在第一个正半周期间，输出电压为零。输入电压在达到其最大值 Vm 后开始减小。电容器充电至最大值并保持恒定。因此，电容器电压由下式给出

Vc = Vm

当输入电压降低到低于最大值时，电容器开始向二极管提供存储的电荷。电容器和二极管的相反极性形成了反向偏置连接。这会导致二极管关断。

下面显示了二极管处于非导通状态时的钳位电路

二极管在导通状态下是短路，在非导通状态下是开路。

在输入电压的负半周期间，二极管将保持反向偏置且不导通。电容器通过负载电阻 RL 开始放电。

因此，对于负半周期，输入电压为零。

输出电压由下式给出

Vo = Vin - Vc

Vo = Vin - Vm

Vo = - Vm

如果，

Vo = Vin - Vm = 0

Vin = Vm

在正半周期期间，

输出电压可以表示为

Vo = Vin - Vc

Vo = Vin - Vm

Vin 在正半周期等于 -Vm，并添加了一个负直流电平。

Vo = -Vm - Vm

Vo = -2Vm

输出波形

输入和输出波形如下

当在钳位器中添加电池时，钳位电路的工作可能会有所不同。让我们详细讨论电池的功能。

在钳位器中添加电池

在正负钳位器中，可以将直流值添加到一个固定值 Vm。但是，在钳位电路中添加电池可以帮助其控制输出波形的形状和直流电平。

电路与上述钳位器电路相同，只是增加了电池。下面显示了带电池的正钳位器电路

电池与二极管串联连接。

此处，

RL 是负载电阻

V_in 是输入电压

V_out 是输出电压

V_m 是电容器的最大电压

V 是电池的电压

工作方式

当输入电压的 **负半周** 应用于钳位电路时，二极管 D 导通并变为正向偏置。当输入电压小于电池电压时，二极管处于导通状态。电容器在接收到电压时充电，电压由下式给出

Vc = Vin - V

Vc = Vm - V

在输入电压的正半周期间，二极管反向偏置且不导通。如下图所示，二极管的节点在非导通状态下变成开路

对上述电路应用 KCL，我们得到

Vc - Vo + Vin = 0

Vo = Vc + Vin

将 Vc 的值代入上式，

Vo = Vm - V + Vin

我们也可以说，将 Vm - V 添加到钳位电路的输入端以产生输出。

我们知道 Vin = Vm

所以，

Vo = 2Vm - V

如果 Vin = 0

Vo = Vm - V

如果 Vin = -Vm

Vo = -V

输出波形

输入和输出波形如下

钳位器的优点

钳位器的优点如下

• 它用于消除电路中的失真。
• 由于输出电压为 **2Vm**，即输入电压的两倍，因此可用作倍压器。
• 放大器中的钳位器可以保护其免受大信号的影响。
• 它用于向输入信号添加直流电平。
• 钳位电路中的电池用于将直流电平控制到所需值。
• 它还有助于识别电路输入和输出电压的极性。
• 钳位器用于修改输入波形的形状和范围。
• 由于存在一个存储电荷的电容器，因此它被用作 **直流恢复器**。当二极管处于非导通状态时，存储的电荷可以进一步使用。

钳位器 vs. 削波器

让我们讨论钳位器和削波器电路之间的区别。