二極管鉗位電路：原理與應用詳解
加入技術交流群
眾所周知，二極管是一種由PN結制成的半導體，只要施加的電壓大于結電壓，電流就會流過二極管，在負偏壓下，只要兩端電壓不超過擊穿電壓，二極管就會處于非導通狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，二極管就像一個開路，因為反向偏置的PN結阻止電子流過。
而鉗位二極管就是在電路中應用這兩種特性來操縱輸入電壓，也就是說將輸入輸出信號波形的某一部分固定在選定電平的這個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的正峰值或負峰值置于所需要的電平。直流分量被簡單地添加到輸入信號中或從輸入信號中減去，鉗位電路也被稱為IC恢復器和交流信號電平轉換器。
在某些情況下，例如電視接收器，當信號通過電容耦合網(wǎng)絡時，它會失去其直流分量。這是當使用鉗位電路以將直流分量重新建立到信號輸入中時。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，但在某個參考電平上確定正或負信號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中。下圖中顯示了鉗位電路，它在輸入交流信號中添加了一個正直流電平。
二極管鉗位電路圖詳解
對于該電路的實際工作，假設波的負循環(huán)通過二極管。在信號二極管的負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。
二極管在信號的負峰值后變?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。電荷可以通過負載電阻RL釋放其存儲的電荷。因此，從一個負半周期到其他電容的信號變化會損失較少的電荷值，電荷的釋放取決于負載電阻RL。
如果電容在輸入信號期間失去充電，則鉗位動作可能會受到干擾。
如果時間常數(shù)RC是輸入信號周期的一百倍，則鉗位電路的效率會很高。
如果時間常數(shù)是輸入信號周期的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，那么負直流電壓會與輸入信號相加，以產生類似于下圖所示的輸出，這種類型的電路布置稱為負鉗位。
二極管負鉗位電路
二極管鉗位電路怎么使用？
對于鉗位電路，至少需要三個元件 —— 二極管、電容和電阻。有時還需要一個獨立的直流電源來引起額外的轉變。鉗位電路的要點是：
· 波形的形狀相同，但其電平向上或向下移動
· 由于鉗位電路，波形的峰峰值或均方根值不會發(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的值會影響波形
· 電阻R和電容C的值應由電路的時間常數(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通的時間間隔內不會發(fā)生顯著變化。在一個好的鉗位電路中，電路時間常數(shù)t=RC應該至少是輸入信號電壓時間周期的十倍。
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、二極管和負載電阻組成。
二極管與負載電阻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)時通過輸入波形，并在二極管處于正向偏置狀態(tài)時停止輸入信號流動。
正二極管鉗位電路
正輸入半周期：當輸入波形的負周期通過二極管時，它處于正向偏置狀態(tài)，允許電流流過負載電阻。
由于這個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極性相反。在達到極值點-Vm后，電容器保持存儲的電荷，直到該點二極管處于正向偏置狀態(tài)。
負輸入半周期：當輸入信號的正半部分通過二極管時，它處于反向偏置狀態(tài)，沒有電流流過二極管。因此，二極管輸入信號上的零電流流向負載電阻。
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的電荷。因此，負載電阻兩端的電壓將由于輸入源Vm提供的電荷存儲和電壓而增加電容器Vm兩端的電壓（Vo = Vm+Vm = 2Vm）。這兩個電壓的極性也相似。結果，信號向上移動，發(fā)生在正鉗位電路中。
負鉗位電路
正輸入半周期：當正循環(huán)通過電路時，二極管處于正向偏置狀態(tài)，因為零信號跨過負載電阻。
由于二極管電流的正向偏置通過負載電阻。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)。
負二極管鉗位電路圖
負輸入半周期：當電路出現(xiàn)負循環(huán)時，二極管處于反向偏置狀態(tài)，因此信號通過負載電阻退出。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載電阻。在負半部分，二極管處于非工作狀態(tài)，二極管上存儲的電荷將消失。
負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）。由于原始信號移動到x軸下方。
二極管偏置鉗位電路
在某些電路中，需要對輸入信號的直流電平進行額外的偏移。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、負載電阻、電容和二極管。
正偏置的正二極管鉗位電路
對于正輸入半周期：當輸入源的正周期穿過二極管時，當輸入源的輸入電壓值小于直流電源時，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。當輸入源提供的電壓大于直流源的電壓時，電流停止流過二極管，因為二極管現(xiàn)在處于反向偏置狀態(tài)。
對于負輸入半周期：對于輸入電源和直流電源的負半周期，二極管處于正向偏置狀態(tài)。由于這個電流流過二極管。由于這個電流電容被充電。
具有負偏置的正二極管鉗位電路
對于負半周期：對于由電池引起的負半周期，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，負載電阻上會有信號出口。
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。
負偏置的正二極管鉗位電路
對于正半周期：對于電池和輸入源的正半周期，二極管處于反向偏置狀態(tài)。因此信號將通過負載電阻退出。
負載電阻上的信號幅度等于輸入源電壓和電容器兩端電壓的疊加。
具有正偏置的負二極管鉗位電路
對于正半周期：對于正半部分，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，則會發(fā)生這種情況。
當電池提供的電壓小于輸入源時，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。
正偏置的負二極管鉗位電路
對于負半周期：輸入電源和電池的負半周期，二極管處于反向偏置狀態(tài)。由于反向偏置信號在負載電阻上存在。
具有負偏置的負二極管鉗位電路
對于正半周期：對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。
負偏置的負二極管鉗位電路
對于負半周期：對于負半周期，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)在信號通過負載電阻退出。
鉗位二極管保護電路
鉗位二極管保護電路：由兩個反向串聯(lián)的二極管組成。一次只能打開一個二極管，另一個處于關閉狀態(tài)。結果，它的正向和反向壓降將被鉗位到二極管的正向導通。電壓降在0.5-0.7以下，保護電路。
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，假設輸入信號，在零時刻，uO(0+) = +E，uO產生幅度為E的正跳變。
之后，在0到t1之間，二極管D導通，電容的充電電流C非常大，uC很快就等于E，導致uO = 0。在t1，ui(t1) = 0，uO再次出現(xiàn)幅度-E跳躍。
在t1~t2期間，D關斷，充電電容C只能通過R放電。通常R的值很大，導致uC下降很慢，uO變化很小。
在t1時，uI(t2) = E，uO有幅度E的跳躍。在t2到t3期間，D導通，電容器C充電。與0到t1期間不同，此時電容上儲存了大量電荷，因此充電時間更短，uO降為零的速度更快。
稍后重復上述過程，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，形成零電平負峰值（或底部）鉗位電路。
三極管鉗位電路，如果把它的BE結也看成一個二極管，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間常數(shù)的變化。時間常數(shù)應足以使電容器電壓在整個非導通二極管期間不會顯著放電。
應該選擇電容和電阻的值，以使電路保持較高的時間常數(shù)。為了防止電容器快速放電，電阻值應該很高。
在整個二極管導通期間，電容充電應該是高速的。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
鉗位二極管不僅僅是為了改變電壓基線。它們在緩解瞬態(tài)事件方面非常有用，尤其是ESD和雷電浪涌。例如，當輸入電壓高于Vh時，D1正向偏置。因此，過多的電流流過D1而不是負載。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工作。
鉗位二極管瞬態(tài)保護電路
當輸入電壓降至VL以下時也是如此，這將激活D2。通過將過多的電流從負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、低結電壓和快速導通時間的二極管用于ESD 或浪涌保護。限流電阻器還必須能夠在大量電流通過時禁用大量熱量。
用于保護GPIO
GPIO的內部電路結構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內部電路造成損壞。
如果從Pin輸入的信號（假設任何輸入信號都有一定的內阻）電壓超過VDD加上上二極管的導通壓降（驅動0.7V），二極管就會導通，多余的電流會被拉到VDD，并且輸入到內部的真實信號電壓不會超過VDD+0.7V。
同樣，如果從Pin輸入的信號電壓低于VSS，由于下二極管的作用，實際輸入的內部信號電壓將被鉗位在VSS-0.7V左右。
鉗位二極管保護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。
當輸出電壓大于VDD時；D1導通，D2截止，Pin的電壓為VDD（忽略二極管的導通壓降）；
當輸入電壓小于GND時；D1關斷，D2導通，Pin的電壓為GND（忽略二極管的導通壓降）；
因此，可以將輸入電壓范圍控制在 [GND, VDD] 之間，以保護Pin不受損壞。如何判斷GPIO是否損壞？方法如下：
首先將萬用表調到二極管位置，紅色表筆接到主板的GND，黑色表筆接到測試GPIO管腳。此時要測量二極管D2是否損壞。測試值為二極管的導通值，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試GPIO引腳，黑色表筆連接到GND。此時要測量二極管D1是否損壞。
添加鉗位二極管可以保護單片機的輸入和輸出端口。
如上圖，添加兩個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。當電壓大于VDD時，D1導通，靜電通過D1釋放到VDD；當電壓小于GND時，D2導通，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。在示波器和雷達顯示中，采用鉗位電路來恢復掃描信號的直流分量，以解決掃描速度變化引起的屏幕上圖像位置移動的問題。
在電視系統(tǒng)中，利用鉗位電路將全電視信號的同步脈沖的頂部保持在一個固定的電壓，以克服由于直流分量的丟失或干擾而引起的電平波動，從而實現(xiàn)信號的分離。
鉗位二極管會產生鉗位電壓。它限制的對象可以是需要過壓保護的對象，例如開關電源中的MOS管。需要一個鉗位網(wǎng)絡來限制D極和S極之間的電壓，以保護MOS免受損壞。
來源：硬件攻城獅
評論