二极管钳位电路——Multisim电路仿真
目录
二极管钳位电路
2.1 二极管正向钳位电路
二极管压降测试
2.1.1 二极管正向钳位电路图
2.1.2 二极管正向钳位工作原理
2.2 二极管负向钳位电路
2.2.1 二极管负向钳位电路图
2.2.2 二极管负向钳位工作原理
二极管正向反向钳位仿真电路实验结果
2.3 二极管顶部钳位电路
2.3.1 实验要求
2.3.2 仿真实验
RC电路不加二极管情况下，输出电阻R2两端电压波形
RC电路与正钳位电路对比图
正钳位电路波形图
正钳位对比实验效果图
2.4 二极管底部钳位电路
2.4.1 实验要求
2.4.2 仿真实验
RC电路不加二极管情况下，输出电阻R2两端电压波形
负钳位电路对比图
负钳位电路波形图
负钳位对比实验效果图
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二极管钳位电路
钳位电路概念：
钳位电路（clamping circuit）是一种将脉冲信号的某一部分固定在指定电压值上，并保持原波形形状不变的电路。它通过控制信号的幅值，将信号限制在特定范围内，从而确保输出信号的幅值不会超出设定的上下限。
工作原理
钳位电路的工作原理基于二极管的导通特性和电容的充放电过程。以常见的二极管钳位电路为例：
正钳位电路：当输入信号的负半周期到来时，二极管正向偏置导通，电容充电至输入信号的峰值减去二极管的正向导通电压（通常为0.7V）。在输入信号的正半周期，二极管反向偏置截止，电容通过负载电阻放电，从而使输出信号的顶部被钳制在某个固定电平。
负钳位电路：与正钳位电路相反，当输入信号的正半周期到来时，二极管正向偏置导通，电容充电。在输入信号的负半周期，二极管反向偏置截止，电容放电，从而使输出信号的底部被钳制在某个固定电平。
2.1 二极管正向钳位电路
二极管压降测试
如下图所示，仿真实验用二极管压降为0.7V
2.1.1 二极管正向钳位电路图
如下图所示
输入：幅值为5V脉冲电压，负半周期为5V，正半周期为-5V
输出：R1两端的电压
二极管：正周期导通，负周期截止
2.1.2 二极管正向钳位工作原理
V1处于正半周期时：
D1导通，C1充电，R1被短路，R1分压得到几乎为0V的电压
V1处于负半周期时：
D1截止，C1放电，R1得到V1和电容释放的电压，叠加电压几乎为10V
仿真结果如下图所示，仿真实验需考虑二极管压降电压(0.7V)
如下图所示，红色波形为输入信号，蓝色波形为输出信号
2.2 二极管负向钳位电路
2.2.1 二极管负向钳位电路图
如下图所示
输入：V2幅值为5V脉冲电压，负半周期为5V，正半周期为-5V
输出：R1两端的电压
二极管：正周期导通，负周期截止
2.2.2 二极管负向钳位工作原理
V2处于正半周期时：
D2截止，C2放电，R2得到V2和电容释放的电压，叠加电压几乎为-10V
V2处于负半周期时：
D2导通，C2充电，R2被短路，R2分压得到几乎为0V的电压
仿真结果如下图所示，仿真实验需考虑二极管压降电压(0.7V)
如下图所示，红色波形为输入信号，蓝色波形为输出信号
二极管正向反向钳位仿真电路实验结果
如下图所示，红色波形为输入信号，蓝色波形为输出信号
2.3 二极管顶部钳位电路
2.3.1 实验要求
将输入幅值为5V，频率为100HZ的矩形脉冲信号，通过正钳位电路将输出信号的顶部限制在10V左右。
2.3.2 仿真实验
RC电路不加二极管情况下，输出电阻R2两端电压波形
输入：红色，高电平(5V)，低电平(0V)，矩形方波信号
输出：蓝色
当输入电压V1为高电平(5V)时：C1充电，R2分压较小的正向电压
当输入电压V1为低电平(0V)时：C1放电，R2分压较小的反向电压
RC电路与正钳位电路对比图
正钳位电路相对于RC电路在电阻两端并联上串联的二极管和5V直流电源
正钳位电路波形图
输出波形向上平移5V左右
解释：
叠加定理：只保留一个电源作用，根据基尔霍夫电压定律（KVL）计算电路电压分布；电压源看作短路，电流源看作开路。
当电源V1单独工作时：D1与R3并联
当输入电压V1为高电平(5V)时：C1充电，D1和R3分压较小的正向电压
当输入电压V1为低电平(0V)时：C1放电，D1和R3分压较小的反向电压
当电源V3单独工作时：C1和R3并联，R3分压分5V
所以，输出电阻R3两端的电压向上平移5V左右
正钳位对比实验效果图
如下图所示，二极管正钳位电路将输出信号的顶部限制在10V左右。
2.4 二极管底部钳位电路
2.4.1 实验要求
将输入幅值为5V，频率为100HZ的矩形脉冲信号，通过负钳位电路将输出信号的底部限制在-5V左右。
2.4.2 仿真实验
RC电路不加二极管情况下，输出电阻R2两端电压波形
输入：红色，高电平(5V)，低电平(0V)，矩形方波信号
输出：蓝色
当输入电压V1为高电平(5V)时：C1充电，R2分压较小的正向电压
当输入电压V1为低电平(0V)时：C1放电，R2分压较小的反向电压
负钳位电路对比图
负钳位电路在RC电路的基础上串联了一个正向偏置二级管
负钳位电路波形图
输出电阻R2两端电压波形向下平移5V左右
依据：二极管的单相导通性，电容的充放电
当输入电压V1为高电平(5V)时：C1充电，D1导通，D1和R1之间的电压几乎为0V
当输入电压V1为低电平(0V)时：C1放电，D1截止，D1和R1之间的电压几乎为-5V
负钳位对比实验效果图
如下图所示，二极管负钳位电路将输出信号的顶部限制在5V左右。
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