二極管鉗位電路：原理與應(yīng)用詳解
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眾所周知，二極管是一種由PN結(jié)制成的半導(dǎo)體，只要施加的電壓大于結(jié)電壓，電流就會(huì)流過二極管，在負(fù)偏壓下，只要兩端電壓不超過擊穿電壓，二極管就會(huì)處于非導(dǎo)通狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，二極管就像一個(gè)開路，因?yàn)榉聪蚱玫腜N結(jié)阻止電子流過。
而鉗位二極管就是在電路中應(yīng)用這兩種特性來操縱輸入電壓，也就是說將輸入輸出信號(hào)波形的某一部分固定在選定電平的這個(gè)電路就被叫做鉗位電路。
什么是二極管鉗位電路？
二極管鉗位電路用于將信號(hào)的正峰值或負(fù)峰值置于所需要的電平。直流分量被簡(jiǎn)單地添加到輸入信號(hào)中或從輸入信號(hào)中減去，鉗位電路也被稱為IC恢復(fù)器和交流信號(hào)電平轉(zhuǎn)換器。
在某些情況下，例如電視接收器，當(dāng)信號(hào)通過電容耦合網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會(huì)失去其直流分量。這是當(dāng)使用鉗位電路以將直流分量重新建立到信號(hào)輸入中時(shí)。盡管在傳輸中丟失的直流分量與通過鉗位電路引入的直流分量不同，但在某個(gè)參考電平上確定正或負(fù)信號(hào)偏移的極值的必要性很重要。
鉗位電路也稱為直流電阻，主要功能是將一些直流電平添加到輸入交流信號(hào)中。下圖中顯示了鉗位電路，它在輸入交流信號(hào)中添加了一個(gè)正直流電平。
二極管鉗位電路圖詳解
對(duì)于該電路的實(shí)際工作，假設(shè)波的負(fù)循環(huán)通過二極管。在信號(hào)二極管的負(fù)半部分處于正向偏置狀態(tài)期間，由于鉗位電路中的電容器充電至值（Vp(in) – 0.7V），如上圖所示。
二極管在信號(hào)的負(fù)峰值后變?yōu)榉聪蚱?。這是由于陰極放置在接近電容充電值的（Vp(in) – 0.7V）附近。電荷可以通過負(fù)載電阻RL釋放其存儲(chǔ)的電荷。因此，從一個(gè)負(fù)半周期到其他電容的信號(hào)變化會(huì)損失較少的電荷值，電荷的釋放取決于負(fù)載電阻RL。
如果電容在輸入信號(hào)期間失去充電，則鉗位動(dòng)作可能會(huì)受到干擾。
如果時(shí)間常數(shù)RC是輸入信號(hào)周期的一百倍，則鉗位電路的效率會(huì)很高。
如果時(shí)間常數(shù)是輸入信號(hào)周期的10倍，那么由于充電電流，它在接地電平上的變化（失真）會(huì)更小。
鉗位電路的最終效果是電容器保持的電荷幾乎等于輸入信號(hào)的極值（峰值）減去二極管兩端的電壓降。電容提供的電壓就像與輸入信號(hào)串聯(lián)的電池一樣工作。電容提供的直流電壓將與輸入信號(hào)相加并疊加。如下圖所示。
二極管鉗位電路圖詳解
如果改變二極管的位置，那么負(fù)直流電壓會(huì)與輸入信號(hào)相加，以產(chǎn)生類似于下圖所示的輸出，這種類型的電路布置稱為負(fù)鉗位。
二極管負(fù)鉗位電路
二極管鉗位電路怎么使用？
對(duì)于鉗位電路，至少需要三個(gè)元件 —— 二極管、電容和電阻。有時(shí)還需要一個(gè)獨(dú)立的直流電源來引起額外的轉(zhuǎn)變。鉗位電路的要點(diǎn)是：
· 波形的形狀相同，但其電平向上或向下移動(dòng)
· 由于鉗位電路，波形的峰峰值或均方根值不會(huì)發(fā)生變化。因此，輸入波形和輸出波形將具有相同的峰峰值，即2Vmax。還必須注意的是，交流電壓表中的輸入電壓和鉗位輸出電壓的讀數(shù)相同
· 電阻R和電容C的值會(huì)影響波形
· 電阻R和電容C的值應(yīng)由電路的時(shí)間常數(shù)方程t=RC確定。這些值必須足夠大，以確保電容C兩端的電壓在二極管不導(dǎo)通的時(shí)間間隔內(nèi)不會(huì)發(fā)生顯著變化。在一個(gè)好的鉗位電路中，電路時(shí)間常數(shù)t=RC應(yīng)該至少是輸入信號(hào)電壓時(shí)間周期的十倍。
二極管鉗位電路原理
正鉗位電路
在下圖中，你可以看到正鉗位電路的電路布置。該電路由電壓源Vi、電容C、二極管和負(fù)載電阻組成。
二極管與負(fù)載電阻RL并聯(lián)組合。由于這種安排，正鉗位電路將允許在二極管處于反向偏置狀態(tài)時(shí)通過輸入波形，并在二極管處于正向偏置狀態(tài)時(shí)停止輸入信號(hào)流動(dòng)。
正二極管鉗位電路
正輸入半周期：當(dāng)輸入波形的負(fù)周期通過二極管時(shí)，它處于正向偏置狀態(tài)，允許電流流過負(fù)載電阻。
由于這個(gè)電流電容被充電到輸入波形的峰值Vm 。電容的充電極性與二極管兩端的信號(hào)極性相反。在達(dá)到極值點(diǎn)-Vm后，電容器保持存儲(chǔ)的電荷，直到該點(diǎn)二極管處于正向偏置狀態(tài)。
負(fù)輸入半周期：當(dāng)輸入信號(hào)的正半部分通過二極管時(shí)，它處于反向偏置狀態(tài)，沒有電流流過二極管。因此，二極管輸入信號(hào)上的零電流流向負(fù)載電阻。
在正循環(huán)期間，二極管不處于工作狀態(tài)，因此電容釋放其存儲(chǔ)的電荷。因此，負(fù)載電阻兩端的電壓將由于輸入源Vm提供的電荷存儲(chǔ)和電壓而增加電容器Vm兩端的電壓（Vo = Vm+Vm = 2Vm）。這兩個(gè)電壓的極性也相似。結(jié)果，信號(hào)向上移動(dòng)，發(fā)生在正鉗位電路中。
負(fù)鉗位電路
正輸入半周期：當(dāng)正循環(huán)通過電路時(shí)，二極管處于正向偏置狀態(tài)，因?yàn)榱阈盘?hào)跨過負(fù)載電阻。
由于二極管電流的正向偏置通過負(fù)載電阻。由于該電流，電容被充電到具有相反極性（-Vm）的輸入信號(hào)的極值，并且該電荷一直保持到該二極管處于正向偏置狀態(tài)。
負(fù)二極管鉗位電路圖
負(fù)輸入半周期：當(dāng)電路出現(xiàn)負(fù)循環(huán)時(shí)，二極管處于反向偏置狀態(tài)，因此信號(hào)通過負(fù)載電阻退出。由于反向偏置電流不流過二極管。
因此來自輸入源的電流流向負(fù)載電阻。在負(fù)半部分，二極管處于非工作狀態(tài)，二極管上存儲(chǔ)的電荷將消失。
負(fù)載電阻兩端的電壓將是電容器兩端的電壓-Vm和輸入源電壓-Vm的相加，即（-2Vm）。由于原始信號(hào)移動(dòng)到x軸下方。
二極管偏置鉗位電路
在某些電路中，需要對(duì)輸入信號(hào)的直流電平進(jìn)行額外的偏移。出于這些目的，使用了二極管偏置鉗位電路。
偏置電路和無偏置電路之間的區(qū)別在于，在偏置電路中，額外的直流電源用于直流元件。
具有正偏置的正二極管鉗位電路
如果電路中具有正偏置，則偏置鉗位電路稱為具有正偏置的正鉗位電路。該電路具有直流電源或直流電源、負(fù)載電阻、電容和二極管。
正偏置的正二極管鉗位電路
對(duì)于正輸入半周期：當(dāng)輸入源的正周期穿過二極管時(shí)，當(dāng)輸入源的輸入電壓值小于直流電源時(shí)，與二極管相連的直流源使其處于正向偏置狀態(tài)。
由于該電流電容也被充電。當(dāng)輸入源提供的電壓大于直流源的電壓時(shí)，電流停止流過二極管，因?yàn)槎O管現(xiàn)在處于反向偏置狀態(tài)。
對(duì)于負(fù)輸入半周期：對(duì)于輸入電源和直流電源的負(fù)半周期，二極管處于正向偏置狀態(tài)。由于這個(gè)電流流過二極管。由于這個(gè)電流電容被充電。
具有負(fù)偏置的正二極管鉗位電路
對(duì)于負(fù)半周期：對(duì)于由電池引起的負(fù)半周期，如果電池電壓大于輸入電源，電壓二極管將變?yōu)榉聪蚱?。因此，?fù)載電阻上會(huì)有信號(hào)出口。
如果電池電壓低于輸入電源電壓，則電流將通過二極管，與反向偏置條件相反。該電流將為電容充電。
負(fù)偏置的正二極管鉗位電路
對(duì)于正半周期：對(duì)于電池和輸入源的正半周期，二極管處于反向偏置狀態(tài)。因此信號(hào)將通過負(fù)載電阻退出。
負(fù)載電阻上的信號(hào)幅度等于輸入源電壓和電容器兩端電壓的疊加。
具有正偏置的負(fù)二極管鉗位電路
對(duì)于正半周期：對(duì)于正半部分，循環(huán)二極管由于電池電壓而反向偏置，如果輸入電壓小于電池電壓，則會(huì)發(fā)生這種情況。
當(dāng)電池提供的電壓小于輸入源時(shí)，由于輸入源的電壓和電流通過二極管，二極管處于正向偏置狀態(tài)。由于此電流，電容將被充電。
正偏置的負(fù)二極管鉗位電路
對(duì)于負(fù)半周期：輸入電源和電池的負(fù)半周期，二極管處于反向偏置狀態(tài)。由于反向偏置信號(hào)在負(fù)載電阻上存在。
具有負(fù)偏置的負(fù)二極管鉗位電路
對(duì)于正半周期：對(duì)于直流電池的正半部分和電壓源二極管都處于正向偏置狀態(tài)。由于此電流將通過電容并充電。
負(fù)偏置的負(fù)二極管鉗位電路
對(duì)于負(fù)半周期：對(duì)于負(fù)半周期，如果電池電壓大于輸入電壓，則二極管處于正向偏置狀態(tài)。
由于輸入源電壓的值大于電池二極管的電壓，因此由于輸入電壓而處于反向偏置狀態(tài)，現(xiàn)在信號(hào)通過負(fù)載電阻退出。
鉗位二極管保護(hù)電路
鉗位二極管保護(hù)電路：由兩個(gè)反向串聯(lián)的二極管組成。一次只能打開一個(gè)二極管，另一個(gè)處于關(guān)閉狀態(tài)。結(jié)果，它的正向和反向壓降將被鉗位到二極管的正向?qū)?。電壓降?.5-0.7以下，保護(hù)電路。
鉗位電路的作用是將周期性變化的波形的頂部或底部保持在一定的直流電平上。以常見的二極管鉗位電路為例，假設(shè)輸入信號(hào)，在零時(shí)刻，uO(0+) = +E，uO產(chǎn)生幅度為E的正跳變。
之后，在0到t1之間，二極管D導(dǎo)通，電容的充電電流C非常大，uC很快就等于E，導(dǎo)致uO = 0。在t1，ui(t1) = 0，uO再次出現(xiàn)幅度-E跳躍。
在t1~t2期間，D關(guān)斷，充電電容C只能通過R放電。通常R的值很大，導(dǎo)致uC下降很慢，uO變化很小。
在t1時(shí)，uI(t2) = E，uO有幅度E的跳躍。在t2到t3期間，D導(dǎo)通，電容器C充電。與0到t1期間不同，此時(shí)電容上儲(chǔ)存了大量電荷，因此充電時(shí)間更短，uO降為零的速度更快。
稍后重復(fù)上述過程，uO和uC的波形?？梢钥闯?，uO的頂部基本被限制在零電平，所以該電路稱為零電平正峰值（或頂部）鉗位電路。
將二極管反向連接，將輸入矩形波的底部鉗位為零電平，形成零電平負(fù)峰值（或底部）鉗位電路。
三極管鉗位電路，如果把它的BE結(jié)也看成一個(gè)二極管，那么，就鉗位原理而言，所示電路完全一樣，只是電路也有放大作用。
二極管鉗位電路取值
通常，鉗位電路取決于電容時(shí)間常數(shù)的變化。時(shí)間常數(shù)應(yīng)足以使電容器電壓在整個(gè)非導(dǎo)通二極管期間不會(huì)顯著放電。
應(yīng)該選擇電容和電阻的值，以使電路保持較高的時(shí)間常數(shù)。為了防止電容器快速放電，電阻值應(yīng)該很高。
在整個(gè)二極管導(dǎo)通期間，電容充電應(yīng)該是高速的。為此，我們選擇較小的電容值。
二極管鉗位電路的作用
使用鉗位二極管的瞬態(tài)保護(hù)
鉗位二極管不僅僅是為了改變電壓基線。它們?cè)诰徑馑矐B(tài)事件方面非常有用，尤其是ESD和雷電浪涌。例如，當(dāng)輸入電壓高于Vh時(shí)，D1正向偏置。因此，過多的電流流過D1而不是負(fù)載。限流電阻器通常放置在二極管之前，以確保后者在限制范圍內(nèi)工作。
鉗位二極管瞬態(tài)保護(hù)電路
當(dāng)輸入電壓降至VL以下時(shí)也是如此，這將激活D2。通過將過多的電流從負(fù)載中引開并保持電壓低于Vh，二極管有助于防止瞬態(tài)電壓損壞組件。
通常，選擇具有較大電流處理能力、低結(jié)電壓和快速導(dǎo)通時(shí)間的二極管用于ESD 或浪涌保護(hù)。限流電阻器還必須能夠在大量電流通過時(shí)禁用大量熱量。
用于保護(hù)GPIO
GPIO的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)中使用了鉗位二極管電路，如下圖所示。它的作用是防止從外部I/O管腳輸入的電壓過高或過低對(duì)內(nèi)部電路造成損壞。
如果從Pin輸入的信號(hào)（假設(shè)任何輸入信號(hào)都有一定的內(nèi)阻）電壓超過VDD加上上二極管的導(dǎo)通壓降（驅(qū)動(dòng)0.7V），二極管就會(huì)導(dǎo)通，多余的電流會(huì)被拉到VDD，并且輸入到內(nèi)部的真實(shí)信號(hào)電壓不會(huì)超過VDD+0.7V。
同樣，如果從Pin輸入的信號(hào)電壓低于VSS，由于下二極管的作用，實(shí)際輸入的內(nèi)部信號(hào)電壓將被鉗位在VSS-0.7V左右。
鉗位二極管保護(hù)GPIO電路
GPIO的電路配置：GPIO的參考電源VDD由鉗位二極管D1的陰極上拉，鉗位二極管D2的陽極接GND。
當(dāng)輸出電壓大于VDD時(shí)；D1導(dǎo)通，D2截止，Pin的電壓為VDD（忽略二極管的導(dǎo)通壓降）；
當(dāng)輸入電壓小于GND時(shí)；D1關(guān)斷，D2導(dǎo)通，Pin的電壓為GND（忽略二極管的導(dǎo)通壓降）；
因此，可以將輸入電壓范圍控制在 [GND, VDD] 之間，以保護(hù)Pin不受損壞。如何判斷GPIO是否損壞？方法如下：
首先將萬用表調(diào)到二極管位置，紅色表筆接到主板的GND，黑色表筆接到測(cè)試GPIO管腳。此時(shí)要測(cè)量二極管D2是否損壞。測(cè)試值為二極管的導(dǎo)通值，一般范圍為0.4-0.6V。超出此范圍是二極管擊穿。
其次，將紅色表筆連接到測(cè)試GPIO引腳，黑色表筆連接到GND。此時(shí)要測(cè)量二極管D1是否損壞。
添加鉗位二極管可以保護(hù)單片機(jī)的輸入和輸出端口。
如上圖，添加兩個(gè)肖特基二極管作為鉗位二極管可以有效防止GPIO被靜電擊穿。當(dāng)電壓大于VDD時(shí)，D1導(dǎo)通，靜電通過D1釋放到VDD；當(dāng)電壓小于GND時(shí)，D2導(dǎo)通，靜電通過D2釋放到GND。由于需要快速釋放靜電，一般選擇肖特基二極管或快速開關(guān)二極管作為鉗位二極管。
其他用途
鉗位電路也經(jīng)常用于各種顯示裝置。在示波器和雷達(dá)顯示中，采用鉗位電路來恢復(fù)掃描信號(hào)的直流分量，以解決掃描速度變化引起的屏幕上圖像位置移動(dòng)的問題。
在電視系統(tǒng)中，利用鉗位電路將全電視信號(hào)的同步脈沖的頂部保持在一個(gè)固定的電壓，以克服由于直流分量的丟失或干擾而引起的電平波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離。
鉗位二極管會(huì)產(chǎn)生鉗位電壓。它限制的對(duì)象可以是需要過壓保護(hù)的對(duì)象，例如開關(guān)電源中的MOS管。需要一個(gè)鉗位網(wǎng)絡(luò)來限制D極和S極之間的電壓，以保護(hù)MOS免受損壞。
來源：硬件攻城獅
評(píng)論