限幅与钳位电路分析

信号处理电路1 钳位电路钳位电路的作用是将电路的输出信号幅度限制在某一个预期值。

钳位电路分为限幅式和非限幅式，区别在于：信号经限幅式钳位电路限幅后，信号的峰峰值受到相当程度的损失；而信号经非限幅式钳位电路限幅后，信号的峰峰值基本不受到损失，但输出信号幅度却受到限制。

（1）限幅式钳位电路限幅电路是限制信号输出幅度的电路，它能按限定的范围削平信号电压的波形幅度，是用来限制信号电压范围的电路，又称限幅器、削波器等。

限幅电路应用非常广泛，常用于整形、波形变换、过压保护等电路。

二极管下限幅电路二极管上限幅电路二极管双向限幅电路（2）非限幅式钳位电路负钳位器：（1）简单型工作原理：Vi正半周时, DON，C充电至V值,Vo=0V。

Vi负半周时，DOFF，Vo=－2V。

（2）加偏压型工作原理:Vi正半周时，二极管DON，C被充电至V值（左正、右负），Vo=+V1(a)图或－V1(b)图。

Vi负半周时，二极管DOFF，RC时间常数足够大，Vo=VC+Vi（负半周）=2V。

几种二极管负钳位器电路比较:正钳位器(1)简单型工作原理Vi负半周时，DON，C充电至V值（左负、右正），Vo=0V。

Vi正半周时，DOFF，Vo=VC+Vi（正半周）=2V。

(2)加偏压型判断输出波形的简易方法 :1.由参考电压V1决定输出波形于坐标轴上的参考点。

2.由二极管D的方向决定原来的波形往何方向移动，若二极管的方向为，则波形必须向上移动；若二极管的方向为，则波形必须往下移动。

3.决定参考点与方向后，再以参考点为基准，将原来的波形画于输出坐标轴上，即为我们所求。

几种二极管正钳位器电路比较:2 信号比较电路运算放大器组成比较器集成电压比较器 LM139/239/3393 模拟乘法器基本应用：平衡调制；混频；倍频；同步检波应用举例：M15964 幅度调制电路调制：用被传送的低频信号去控制高频信号（载波）的参数（幅度、频率、相位），实现低频信号搬移到高频段。

io钳位电路
IO钳位电路是一种特殊的电路，它的主要作用是将输入或输出信号的电压限制在一定的范围内，以保护电路免受过电压或过电流的损害。

在电子设备和系统中，IO钳位电路通常被用来保护系统的稳定性和可靠性，防止因异常电压或电流而引起的设备损坏或数据丢失。

IO钳位电路通常由电阻、二极管和电容等元件组成，其工作原理是通过限制电流或电压的幅度来保护电路。

当输入或输出信号超过一定范围时，IO钳位电路会自动将信号电压钳制在安全范围内，从而保护后续电路不受损坏。

IO钳位电路的应用非常广泛，如数字电路、模拟电路、通信系统、电源电路等。

在数字电路中，IO钳位电路可以防止过电压或过电流对逻辑门的损害；在模拟电路中，IO钳位电路可以保护模拟器件不受异常信号的干扰；在通信系统中，IO钳位电路可以防止信号过冲或振荡对通信质量的影响；在电源电路中，IO钳位电路可以防止电源电压过高或过低对系统的影响。

总之，IO钳位电路是一种非常重要的电子保护技术，它可以有效地保护电子设备和系统的稳定性和可靠性，提高设备和系统的使用寿命和性能。

4 RCD钳位电路4.1基本原理分析由于变压器漏感的存在，反激变换器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压，使得开关管承受较高的电压应力，甚至可能导致开关管损坏。

因此，为确保反激变换器安全可靠工作，必须引入钳位电路吸收漏感能量。

钳位电路可分为有源和无源钳位电路两类，其中无源钳位电路因不需控制和驱动电路而被广泛应用。

在无源钳位电路中，RCD 钳位电路因结构简单、体积小、成本低而倍受青睐。

RCD钳位电路在吸收漏感能量的时候，同时也会吸收变压器中的一部分储能，所以RCD钳位电路参数的选择，以及能耗到底为多少，想要确定这些情况会变得比较复杂。

对其做详细的分析是非常必要的，因为它关系到开关管上的尖峰电压，从而影响到开关管的选择，进而会影响到EMI，并且，RCD电路设计不当，会对效率造成影响，而过多的能量损耗又会带来温升问题，所以说RCD钳位电路可以说是很重要的部分。

图9图10图11反激变换器RCD 钳位电路的能量转移过程可分成5 阶段，详细分析如下：1）t0-t1阶段。

开关管T1导通，二极管D1、D2因反偏而截止，钳位电容C1通过电阻R1释放能量，电容两端电压UC下降；同时，输入电压Ui加在变压器原边电感LP两端，原边电感电流ip线性上升，其储能随着增加，直到t1时刻，开关管T1关断，ip增加到最大值。

此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(a)所示。

2）t1-t2阶段。

从t1时刻开始，开关管进入关断过程，流过开关管的电流id 开始减小并快速下降到零；同时，此阶段二极管D2仍未导通，而流过变压器原边的电流IP首先给漏源寄生电容Cds恒流充电(因LP很大)，UDS快速上升(寄生电容Cds较小)，变压器原边电感储存能量的很小一部份转移到Cds；直到t2时刻，UDS 上升到Ui+Uf(Uf为变压器副边向原边的反馈电压)。

此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(b)所示，钳位电容C1继续通过电阻R1释放能量。

二极管限幅箝位电路 tvs
二极管限幅和箝位电路是一种常见的电子电路，用于限制电压
波形的幅值或者箝位电压在一个特定的范围内。

TVS（Transient Voltage Suppressor）是一种特殊类型的二极管，用于保护电子设
备免受瞬态过电压的损害。

下面我会从多个角度来解释这个问题。

首先，二极管限幅电路是通过使用二极管的导通特性来限制输
入信号的幅值。

当输入信号超过一定的电压阈值时，二极管开始导通，将多余的电压转移到地。

这样可以确保输出信号的幅值不会超
过设定的范围，从而保护后续电路不受损坏。

其次，箝位电路也是一种常见的电子电路，用于限制信号的幅
值在一个特定的范围内。

箝位电路通常使用二极管和电阻器来实现，通过将输入信号箝位在一个固定的电压范围内，以确保输出信号不
会超出这个范围。

另外，TVS二极管是一种专门用于抑制瞬态过电压的二极管，
通常用于保护电子设备免受雷击、电压浪涌或其他突发的高压脉冲
的损害。

TVS二极管具有快速响应和高能量吸收能力，能够迅速将
过电压转移到地，保护设备不受损坏。

总的来说，二极管限幅和箝位电路以及TVS二极管都是用于保护电子设备的重要电路元件，它们可以有效地限制电压波形的幅值或者抑制瞬态过电压，保护设备不受损坏。

在电子电路设计中，合理使用这些元件可以提高电路的稳定性和可靠性。

4 RCD钳位电路4.1基本原理分析由于变压器漏感的存在，反激变换器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压，使得开关管承受较高的电压应力，甚至可能导致开关管损坏。

因此，为确保反激变换器安全可靠工作，必须引入钳位电路吸收漏感能量。

钳位电路可分为有源和无源钳位电路两类，其中无源钳位电路因不需控制和驱动电路而被广泛应用。

在无源钳位电路中，RCD 钳位电路因结构简单、体积小、成本低而倍受青睐。

RCD钳位电路在吸收漏感能量的时候，同时也会吸收变压器中的一部分储能，所以RCD钳位电路参数的选择，以及能耗到底为多少，想要确定这些情况会变得比较复杂。

对其做详细的分析是非常必要的，因为它关系到开关管上的尖峰电压，从而影响到开关管的选择，进而会影响到EMI，并且，RCD电路设计不当，会对效率造成影响，而过多的能量损耗又会带来温升问题，所以说RCD钳位电路可以说是很重要的部分。

图9图10图11反激变换器RCD 钳位电路的能量转移过程可分成5 阶段，详细分析如下：1）t0-t1阶段。

开关管T1导通，二极管D1、D2因反偏而截止，钳位电容C1通过电阻R1释放能量，电容两端电压UC下降；同时，输入电压Ui加在变压器原边电感LP两端，原边电感电流ip线性上升，其储能随着增加，直到t1时刻，开关管T1关断，ip增加到最大值。

此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(a)所示。

2）t1-t2阶段。

从t1时刻开始，开关管进入关断过程，流过开关管的电流id 开始减小并快速下降到零；同时，此阶段二极管D2仍未导通，而流过变压器原边的电流IP首先给漏源寄生电容Cds恒流充电(因LP很大)，UDS快速上升(寄生电容Cds较小)，变压器原边电感储存能量的很小一部份转移到Cds；直到t2时刻，UDS 上升到Ui+Uf(Uf为变压器副边向原边的反馈电压)。

此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(b)所示，钳位电容C1继续通过电阻R1释放能量。

钳位电路的详细分析
图1典型钳位电路
图2仿真图形
分析：
当图2中的绿线也就是信号源是0V的时候，相当于信号源短路，此时D1开启，电容的右极板快速充电，电压上升为8V，所以图2中的红线显示为8V。

当信号源突然跳变为5V，即绿线升为5V，电容器的左极板跳变为5V，由于电容器两极板电压不能突变，所以右极板上升为13V。

如图2红线上升为了13V。

此时D1截止，电容器右极板的电荷通过电阻R1缓慢释放，为什么是缓慢释放呢？因为RC 电路中R*C是代表时间常数，越大表示释放电荷越慢，不难理解，C大电荷多，R大放电电流小。

于是出现图2中红色线中有个下降坡。

因为RC大，电压下降不明显，还没等释放完毕，绿线又降为0V，下降了5V。

根据电容电压不能突变，右极板也要下降5V，可是此时的右极板已经不是13V，略小于13V，再下降5V，将小于8V，于是出现红色线中有个非常小的低于8V的点。

因为右极板低于8V，所以D1开启，电源V2迅速给电容右极板充电，为什么是迅速呢？因为D1导通，右极板跟V2直接相连，充电电流理论上无限大，所以很快就可以上升到8V。

如此循环往复，分析结束。

注意3点：
1.电容两极板之间电压不能突变。

2.RC时间常数大，充放电缓慢。

3.跟电源直接相连，充放电迅速。

讨论3个问题：
1.如果将电容变大，或变小，波形如何？
2.如果将信号源频率变大，或变小，波形如何？
3.图1是正向钳位电路，负向钳位电路该如何？
留给读者自己思考。

实验一 晶体管开关特性、限幅器与钳位器一、实验目的1、观察晶体二极管、三极管的开关特性，了解外电路参数变化对晶体管开关特性的影响。

2、掌握限幅器和钳位器的基本工作原理。

二、实验原理1、晶体二极管的开关特性由于晶体二极管具有单向导电性，故其开关特性表现在正向导通与反向截止两种不同状态的转换过程。

如图1－1电路，输入端施加一方波激励信号v i ，由于二极管结电容的存在，因而有充电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。

因此当加在二极管上的电压突然由正向偏置(+V 1)变为反向偏置(-V 2)时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流R V 2，并维持一段时间t s （称为存贮时间）后，电流才开始减小，再经t f （称为下降时间）后，反向电流才等于静态特性上的反向电流I 0，将t rr ＝t s ＋t f 叫做反向恢复时间，t rr 与二极管的结构有关，PN 结面积小，结电容小，存贮电荷就少，t s 就短，同时也与正向导通电流和反向电流有关。

当管子选定后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。

2、晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程，而且这种转换都需要一定的时间才能完成。

如图1－2电路的输入端，施加一个足够幅度（在－V 2和+V 1之间变化）的矩形脉冲电压v i 激励信号，就能使晶体管从截止状态进入饱和导通，再从饱和进入截止。

可见晶体管T 的集电极电流 i c 和输出电压v o 的波形已不是一个理想的矩形波，其起始部分和平顶部分都延迟了一段时间，其上升沿和下降沿都变得缓慢了，如图1－2 波形所示，从v i 开始跃升到i C 上升到0.1I CS ，所需时间定义为延迟时间t d ，而i C 从0.1I CS 增长到0.9I CS 的时间为上升时间t r ，从v i 开始跃降到i C 下降到0.9I CS 的时间为存贮时间 t S ,而i C 从0.9I CS 下降到0.1I CS 的时间为下降时间t f ，通常称t on ＝t d ＋t r 为三极管开关的“接通时间”，t off ＝t S ＋t f 称为“断开时间”，形成上述开关特性的主要原因乃是晶体管结电容之故。

二极管最重要的特性是单向导电性，利用这一特性可以设计很多好玩实用的电路，本文主要讲述限幅电路和钳位电路。

▉ 正限幅电路正半周时且Vin的电压大于等于0.7V时，二极管导通，Vout会被钳位在0.7V；在负半周和Vin电压小于0.7V时，二极管是截止状态，所以Vout=Vin，即Vout波形跟随Vin波形。

▉ 负限幅电路在正半周时，二极管截止，Vout=Vin，即波形跟随；在负半周Vin电压小于等于-0.7V时，二极管会导通，Vout电压会被钳位在-0.7V。

▉ 双向限幅电路双向限幅是结合了上面两个电路，用了两个二极管。

正半周，通过D1将超出的部分钳位在0.7V，负半周通过D2将超出的部分钳位在-0.7V。

▉ 正偏压限幅为了产生不同的限幅电压，有时候会在电路中加入偏置电压Vbias，当Vin 的电压大于等于Vbias+0.7V时，二极管导通，Vout被钳位。

▉ 负偏压限幅负偏压是一样的道理，Vin电压小于等于-0.7-Vbias时，二极管导通，Vout被钳位。

▉双向偏压限幅双向偏压限幅是两个二极管加两个偏置电压，正半周大于等于4.7V时，D1导通，超出部分被钳位在4.7V；负半周小于等于-6.7V时，D2导通，超出部分被钳位在-6.7V。

上面几种都是不含有电容的电路，主要是用来限幅。

下面几种是含有电容的二极管钳位电路，以下分析不考虑二极管的导通压降（即二极管正向导通相当于一根导线，反向截止断路），RC时间常数足够大，保证输出波形不失真。

▉ 简单型正钳位电路电路原理：输入Vin在负半周时（Vin上负下正），二极管导通，电流如红色箭头所示，电容充电至+V（左负右正），Vout=0V；输入Vin在正半周时（Vin 上正下负），二极管截止，电流如蓝色箭头所示，Vout电压等于电容电压加上正半周电压，所以Vout=2V；▉偏压型正钳位电路偏压型钳位电路和限幅电路很类似，在电路中加入偏置电压来提高或者降低钳位值。

反激式电源中MOSFET的钳位电路输出功率100W以下的AC/DC电源通常都采用反激式拓扑结构。

这种电源成本较低，使用一个控制器就能提供多路输出跟踪，因此受到设计师们的青睐，且已成为元件数少的AC/DC转换器的标准设计结构。

不过，反激式电源的一个缺点是会对初级开关元件产生高应力。

反激式拓扑结构的工作原理，是在电源导通期间将能量储存在变压器中，在关断期间再将这些能量传递到输出。

反激式变压器由一个磁芯上的两个或多个耦合绕组构成，激磁能量在被传递到次级之前，一直储存在磁芯的串联气隙间。

实际上，绕组之间的耦合从不会达到完美匹配，并且不是所有的能量都通过该气隙进行传递。

少量的能源储存在绕组内和绕组之间，这部分能量被称为变压器漏感。

开关断开后，漏感能量不会传递到次级，而是在变压器初级绕组和开关之间产生高压尖峰。

此外，还会在断开的开关和初级绕组的等效电容与变压器的漏感之间，产生高频振铃(图1)。

图1：漏感产生的漏极节点开关瞬态如果该尖峰的峰值电压超过开关元件(通常为功率MOSFET)的击穿电压，就会导致破坏性故障。

此外，漏极节点的高幅振铃还会产生大量EMI。

对于输出功率在约2W以上的电源来说，可以使用钳位电路来安全耗散漏感能量，达到控制MOSFET电压尖峰的目的。

钳位的工作原理钳位电路用于将MOSFET上的最大电压控制到特定值，一旦MOSFET电压达到阈值，所有额外的漏感能量都会转移到钳位电路，或者先储存起来慢慢耗散，或者重新送回主电路。

钳位的一个缺点是它会耗散功率并降低效率，因此，有许多不同类型的钳位电路可供选择(图2)。

有多种钳位使用齐纳二极管来降低功耗，但它们会在齐纳二极管快速导通时增加EMI的产生量。

RCD钳位能够很好地平衡效率、EMI产生量和成本，因此最为常用。

图2：不同类型的钳位电路钳位RCD钳位的工作原理为：MOSFET关断后，次级二极管立即保持反向偏置，励磁电流对漏极电容充电(图3a)。

当初级绕组电压达到由变压器匝数所定义的反射输出电压(VOR)时，次级二极管关断，励磁能量传递到次级。

4 RCD钳位电路4.1基本原理分析由于变压器漏感的存在，反激变换器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压,使得开关管承受较高的电压应力，甚至可能导致开关管损坏。

因此,为确保反激变换器安全可靠工作,必须引入钳位电路吸收漏感能量。

钳位电路可分为有源和无源钳位电路两类，其中无源钳位电路因不需控制和驱动电路而被广泛应用。

在无源钳位电路中，RCD 钳位电路因结构简单、体积小、成本低而倍受青睐。

RCD钳位电路在吸收漏感能量的时候，同时也会吸收变压器中的一部分储能，所以RCD钳位电路参数的选择，以及能耗到底为多少,想要确定这些情况会变得比较复杂。

对其做详细的分析是非常必要的,因为它关系到开关管上的尖峰电压,从而影响到开关管的选择,进而会影响到EMI,并且,RCD电路设计不当，会对效率造成影响,而过多的能量损耗又会带来温升问题，所以说RCD钳位电路可以说是很重要的部分。

图9图10图11反激变换器RCD 钳位电路的能量转移过程可分成5 阶段，详细分析如下：1）t0—t1阶段。

开关管T1导通，二极管D1、D2因反偏而截止，钳位电容C1通过电阻R1释放能量，电容两端电压UC下降;同时，输入电压Ui加在变压器原边电感LP两端,原边电感电流ip线性上升,其储能随着增加，直到t1时刻，开关管T1关断，ip增加到最大值。

此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(a)所示。

2)t1-t2阶段。

从t1时刻开始，开关管进入关断过程,流过开关管的电流id 开始减小并快速下降到零；同时，此阶段二极管D2仍未导通，而流过变压器原边的电流IP首先给漏源寄生电容Cds恒流充电（因LP很大)，UDS快速上升(寄生电容Cds 较小）,变压器原边电感储存能量的很小一部份转移到Cds;直到t2时刻,UDS 上升到Ui+Uf（Uf为变压器副边向原边的反馈电压).此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(b）所示，钳位电容C1继续通过电阻R1释放能量。

二极管钳位电路
二极管钳位电路是一种用于将信号限制在某个范围内的电路。

它由两个二极管和一个电阻组成。

其中一个二极管的正极连接到信号源，另一个二极管的正极连接到地，而它们的负极都通过一个电阻连接到一个共同的节点。

当输入信号的电压低于某个阈值时，第一个二极管会截止，而第二个二极管会导通，将信号限制在一个较低的电压范围内。

当输入信号的电压高于阈值时，第一个二极管会导通，而第二个二极管会截止，将信号限制在一个较高的电压范围内。

这样，通过调整电阻的阻值，可以实现对输入信号的限幅功能。

二极管钳位电路常用于抑制输入信号中的噪声或干扰，保护接收器或其他电路中的元件不受过大的输入信号损坏。

限幅电路和钳位电路实验报告书课程名称实验项目实验项目类型验证演示综合设计其他指导老师成绩一、实验目的：（1）掌握二极管限幅电路的工作原理（2）掌握二极管钳位电路的工作原理（3）掌握EWB软件的交流信号源、示波器、函数发生器的使用方法二、实验步骤：1.二极管限幅电路（1）按图连接电路（2）设置交流电压源为10V，频率为1HZ。

（3）激活电路进行仿真运行（4）参照下图给出输入输出信号的波形图，说明电路的工作原理（a）上限幅电路波形图（b）下限幅电路波形图（C）双限幅电路波形图2.按图连线（2）设置交流电压源为10V，频率为1ＨＺ（３）激活电路进行仿真模拟参照（ｂ）的格式输入输出信号的波形图，说明电路工作原理３．（１）按图连接电路（2）设置交流电源10V，频率1HZ（3）激活电路，进行仿真（4）参照（c）格式输入输出信号的波形图，说明工作原理2.二极管钳位电路（顶部钳位电路）（底部钳位电路）（1）按如图连接电路（2）设置函数发生器输出幅值为2V，频率为1kHZ的方波（3）激活电路进行仿真（4）参照下图，输入信号波形图，说明工作原理三、实验过程原始数据（数据、图表、计算等）（a）上限幅电路波形图（b）下限幅电路波形图（C）双限幅电路波形图2.二极管钳位电路（顶部钳位电路波形图）（底部钳位电路波形图）四、实验结果及分析二极管限幅电路从实验结果的波形图知道在上限幅电路中，在正向电压时，由于刚开始时，正向电压小于直流电源，因此波形图与输入的波形一样，当到达管压降后，二极管导通，此时为直流源两端电压，起到上限幅的作用，而方向时，二极管截止，因此示波器两端的电压与输入波形相同在上限幅电路中，与上限幅电路类似在双限幅电路中，是前两种的组合二极管的钳位电路由于在输入信号Ui大于二极管的导通电压时，二极管VD导通，电容迅速充电，输入uo接近0V；当输入信号ui下降时，VD截止，C通过放电，电路的RC时间常数远大于信号变化周期，其输出再现输入，且增倍（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。