二极管限幅电路详解：正负向限幅原理与应用

在电子电路设计中，信号幅度的控制是确保系统稳定性和可靠性的关键环节。二极管限幅电路(Diode Clipping Circuit)作为一种经典的信号整形技术，通过二极管的非线性特性实现对输入信号幅度的精确限制。本文将从工作原理、典型拓扑、设计方法及实际应用场景出发，深入解析正负向二极管限幅电路的设计要点与技术细节。

二极管限幅电路的核心原理

二极管限幅电路的核心功能是通过二极管的导通/截止特性，将输入信号的幅度限制在预设范围内，避免过压信号损坏后续电路。其工作原理可分为以下两类：

正向限幅(Positive Clipping)

通过二极管正向导通特性，切除输入信号的正向部分。当输入电压超过预设阈值时，二极管导通，输出被钳位至阈值电压(Vdip=Vref+VD，其中VD为二极管导通压降)。

负向限幅(Negative Clipping)

利用二极管反向导通特性，切除输入信号的负向部分。当输入电压低于预设阈值时，二极管导通，输出被钳位至阈值电压(Vdip=Vref−VD)。

正向二极管限幅电路：

在正向限幅电路中，二极管的阳极接地，阴极接输入信号。这种配置允许二极管在输入信号高于地电平时导通。当输入信号的正半周超过二极管的开启电压(通常为0.6至0.7伏特)时，二极管导通，输出电压被限制在二极管开启电压附近。在输入信号的负半周，二极管截止，输出电压跟随输入信号下降。因此，正向二极管限幅电路主要用于限制电路中的正电压峰值。

在下图中，你可以看到在输入交流信号中连接了一个二极管，因为输入信号的正极部分经过二极管，它处于正向偏置状态。

在正半周期内，直到输入电压达到0.7V左右，二极管才会导通。一旦二极管开始导通，无论输入电压大小如何，二极管上只会出现一个正向压降。输出波形的正半周期描绘了这一点。

在负半周期间，二极管保持反向偏置(开路)，整个输入信号出现在二极管两端。这样的电路仅在正周期期间截断输入信号，即任何高于+0.7V 电压都将被截断。

正向二极管削波电路只削波输入正弦信号的正半周期。

二极管正向限幅电路波形图

负向二极管限幅电路：

负向限幅电路中，二极管的阳极连接输入信号，阴极接电源正极。这种配置允许二极管在输入信号低于电源电压时导通。当输入信号的负半周低于二极管开启电压时，二极管导通，输出电压被限制在二极管开启电压附近。在输入信号的正半周，二极管截止，输出电压跟随输入信号上升。因此，负向二极管限幅电路主要用于限制电路中的负电压峰值。

当改变二极管的方向，就会与正向二极管限幅电路相反 ，以下限幅电路仅在负周期期间限制电压。工作原理与正向二极管限幅电路的描述相同，只是二极管偏置相反。负限幅电路将负电压限制为-0.7V，任何小于此值的值都将被剪掉。

二极管负向限幅电路波形图

总结来说，二极管限幅电路是一种简单而有效的电路保护技术，广泛应用于电源供应、信号处理和通信系统等领域。通过合理设计正向或负向二极管限幅电路，可以有效地保护敏感元件免受过高或过低的电压影响。随着电子技术的不断进步，二极管限幅电路的设计和应用也在不断地演化，以满足更多样化和复杂化的市场需求。