二极管箝位电路的分析思路

来源:用户上传      作者:王浩

　　[摘 要] 由二极管和电容构成的基本箝位电路是华科版模拟电子技术课程中的基本电路，教科书中分析较为简单。从二极管恒压降模型和指数函数模型出发结合电容伏安关系，详细完整的分析该箝位电路，所用方法有助于增强学生对于二极管伏安特性、电容伏安特性和高等数学中导数基本概念的理解。
　　[关键词] 箝位电路;二极管;电容;导数
　　 一、引言
　　箝位电路[1]经常用于各种显示设备中。在示波器和雷达显示器中用箝位电路使扫描信号的直流分量得到恢复，以解决扫描速度改变时所引起的屏幕图像位置移动问题。由二极管和电容构成的基本箝位电路是华科版模拟电子技术课程中的基本电路，教科书中分析较为简单，仅有稳定状态下的简要分析。本论文首先从二极管的恒压降模型和电容的伏安关系[2]以及电容电压不会发生跳变的基本电路理论知识出发，对于该电路进行了理论分析和仿真，并总结出分析该电路的基本要点。然后从二极管的数学模型和电容的伏安关系以及电容电压不会发生跳变的基本电路理论知识出发，对该电路进行了理论分析。两种分析方法有助于增强学生对于二极管和电容的伏安关系以及高等数学中导数基本概念的理解。
　　二、分析思路（二极管恒压降模型）
　　1.顺时针参考方向下的电流i的值只有可能为正，所以电容只能从右到左进行充电，而且电容只能进行充电，没有放电通道（上山容易，下山难）。所以，在任何时刻我们都会有u（t）≥0，即A点的电位不会比B点的电位低，而且是单调不减。
　　2.只有二极管导通的时候，才有可能对电容进行充电。二极管若采用0.7v恒压降模型，导通时其上电阻值可以认为等于零，对电容进行充电我们认为是瞬间完成的。
　　3.电容电压充电结束后，输出端电位始终比输入端电位高出一个固定值，即电容电压值。
　　4.正弦信号：在电路最开始的状态信号比较小，二极管处在截至状态，无充电途径，电容上的压降始终为零，所以在电路的最开始状态，输出端电压始终跟踪信号电压。
　　5.正弦信号：在输入端信号到达-0.7v时候，二极管开始导通，开始对电容进行充电一直到达信号的负向最大值。
　　6.正弦信号：此后，二极管不再导通，否则电容上的电压将会减小（与结论A矛盾）。这时，电容压降已经达到V-0.7。在此以后的时间内，只有当信号电压处在负向最大值时候，二极管才会瞬间导通。所以，此后的时间内，电容不会再充电，其电压一直稳定在V-0.7。
　　7.周期矩形波：在电路最开始的状态二极管处在截至状态，电容无法充电，所以在电路的最开始状态，输出端电压始终跟踪输入信号。
　　8.周期矩形波：在输入信号负向值到达的时刻，二极管瞬间导通，电容瞬间充电至-0.7（充电稳定），此后，电容不可能再进行充电，二极管处在截至或者瞬间导通状态。
　　根据以上理论分析，我们可以得出箝位电路在正弦输入信号和周期矩形方波输入信号下的理论输出结果，如图2和图3所示。圖4和图5显示的是相应输入信号下的LT spice仿真输出结果。如图所示，仿真结果和理论分析结果基本一致。
　　三、钳位电路的重要特点（二极管恒压降模型）
　　从图6中可以看出，数值仿真计算结果亦与LT Spice电路仿真软件计算结果一致。由于理想的周期矩形波函数不可导，所以我们无法根据公式（5）进而根据公式（8）采用数值迭代方法对于周期矩形波输入信号作用下的电路输出进行分析。
　　五、结论
　　论文对华科版模拟电子技术教科书中基本二极管箝位电路进行了较为详细的理论分析，提出了两种分析方法。两种分析方法分别基于二极管恒压降模型和指数函数模型以及电容伏安关系和电容电压不会发生跳变的基本电路知识。该分析方法有助于增强学生对于二极管元件伏安关系特点和电容伏安关系特点以及高等数学中导数基本概念的理解。
　　参考文献
　　[1]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础：模拟部分（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2013.
　　[2]邱关源.电路分析（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.
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