二極管箝位電路的分析思路

王浩

[摘 要] 由二極管和電容構(gòu)成的基本箝位電路是華科版模擬電子技術(shù)課程中的基本電路，教科書(shū)中分析較為簡(jiǎn)單。從二極管恒壓降模型和指數(shù)函數(shù)模型出發(fā)結(jié)合電容伏安關(guān)系，詳細(xì)完整的分析該箝位電路，所用方法有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于二極管伏安特性、電容伏安特性和高等數(shù)學(xué)中導(dǎo)數(shù)基本概念的理解。

[關(guān)鍵詞] 箝位電路;二極管;電容;導(dǎo)數(shù)

一、引言

箝位電路[1]經(jīng)常用于各種顯示設(shè)備中。在示波器和雷達(dá)顯示器中用箝位電路使掃描信號(hào)的直流分量得到恢復(fù)，以解決掃描速度改變時(shí)所引起的屏幕圖像位置移動(dòng)問(wèn)題。由二極管和電容構(gòu)成的基本箝位電路是華科版模擬電子技術(shù)課程中的基本電路，教科書(shū)中分析較為簡(jiǎn)單，僅有穩(wěn)定狀態(tài)下的簡(jiǎn)要分析。本論文首先從二極管的恒壓降模型和電容的伏安關(guān)系[2]以及電容電壓不會(huì)發(fā)生跳變的基本電路理論知識(shí)出發(fā)，對(duì)于該電路進(jìn)行了理論分析和仿真，并總結(jié)出分析該電路的基本要點(diǎn)。然后從二極管的數(shù)學(xué)模型和電容的伏安關(guān)系以及電容電壓不會(huì)發(fā)生跳變的基本電路理論知識(shí)出發(fā)，對(duì)該電路進(jìn)行了理論分析。兩種分析方法有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于二極管和電容的伏安關(guān)系以及高等數(shù)學(xué)中導(dǎo)數(shù)基本概念的理解。

二、分析思路（二極管恒壓降模型）

1.順時(shí)針參考方向下的電流i的值只有可能為正，所以電容只能從右到左進(jìn)行充電，而且電容只能進(jìn)行充電，沒(méi)有放電通道（上山容易，下山難）。所以，在任何時(shí)刻我們都會(huì)有u（t）≥0，即A點(diǎn)的電位不會(huì)比B點(diǎn)的電位低，而且是單調(diào)不減。

2.只有二極管導(dǎo)通的時(shí)候，才有可能對(duì)電容進(jìn)行充電。二極管若采用0.7v恒壓降模型，導(dǎo)通時(shí)其上電阻值可以認(rèn)為等于零，對(duì)電容進(jìn)行充電我們認(rèn)為是瞬間完成的。

3.電容電壓充電結(jié)束后，輸出端電位始終比輸入端電位高出一個(gè)固定值，即電容電壓值。

4.正弦信號(hào)：在電路最開(kāi)始的狀態(tài)信號(hào)比較小，二極管處在截至狀態(tài)，無(wú)充電途徑，電容上的壓降始終為零，所以在電路的最開(kāi)始狀態(tài)，輸出端電壓始終跟蹤信號(hào)電壓。

5.正弦信號(hào)：在輸入端信號(hào)到達(dá)-0.7v時(shí)候，二極管開(kāi)始導(dǎo)通，開(kāi)始對(duì)電容進(jìn)行充電一直到達(dá)信號(hào)的負(fù)向最大值。

6.正弦信號(hào)：此后，二極管不再導(dǎo)通，否則電容上的電壓將會(huì)減?。ㄅc結(jié)論A矛盾）。這時(shí)，電容壓降已經(jīng)達(dá)到V-0.7。在此以后的時(shí)間內(nèi)，只有當(dāng)信號(hào)電壓處在負(fù)向最大值時(shí)候，二極管才會(huì)瞬間導(dǎo)通。所以，此后的時(shí)間內(nèi)，電容不會(huì)再充電，其電壓一直穩(wěn)定在V-0.7。

7.周期矩形波：在電路最開(kāi)始的狀態(tài)二極管處在截至狀態(tài)，電容無(wú)法充電，所以在電路的最開(kāi)始狀態(tài)，輸出端電壓始終跟蹤輸入信號(hào)。

8.周期矩形波：在輸入信號(hào)負(fù)向值到達(dá)的時(shí)刻，二極管瞬間導(dǎo)通，電容瞬間充電至-0.7（充電穩(wěn)定），此后，電容不可能再進(jìn)行充電，二極管處在截至或者瞬間導(dǎo)通狀態(tài)。

根據(jù)以上理論分析，我們可以得出箝位電路在正弦輸入信號(hào)和周期矩形方波輸入信號(hào)下的理論輸出結(jié)果，如圖2和圖3所示。圖4和圖5顯示的是相應(yīng)輸入信號(hào)下的LT spice仿真輸出結(jié)果。如圖所示，仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果基本一致。

三、鉗位電路的重要特點(diǎn)（二極管恒壓降模型）

從圖6中可以看出，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果亦與LT Spice電路仿真軟件計(jì)算結(jié)果一致。由于理想的周期矩形波函數(shù)不可導(dǎo)，所以我們無(wú)法根據(jù)公式（5）進(jìn)而根據(jù)公式（8）采用數(shù)值迭代方法對(duì)于周期矩形波輸入信號(hào)作用下的電路輸出進(jìn)行分析。

五、結(jié)論

論文對(duì)華科版模擬電子技術(shù)教科書(shū)中基本二極管箝位電路進(jìn)行了較為詳細(xì)的理論分析，提出了兩種分析方法。兩種分析方法分別基于二極管恒壓降模型和指數(shù)函數(shù)模型以及電容伏安關(guān)系和電容電壓不會(huì)發(fā)生跳變的基本電路知識(shí)。該分析方法有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于二極管元件伏安關(guān)系特點(diǎn)和電容伏安關(guān)系特點(diǎn)以及高等數(shù)學(xué)中導(dǎo)數(shù)基本概念的理解。

參考文獻(xiàn)

[1]康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]邱關(guān)源.電路分析（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.