运放+双二极管构成的上下限钳位保护电路分析

电器维修

双二极管构成的上下限钳位保护电路很常见，但由运放+双二极管构成的上下限钳位电路你见过吗？
该电路通过运算放大器与二极管组成钳位保护电路，上端通过R1和R2电阻分压，给电路输入一个高点钳位电压，可以把Vin钳位到0V~给定电压之间。
一、电路结构
Vin经R3、C2低通滤波后到达节点Vx。Vx接U1D同相端12，并受U1B/D3上限钳位、U1C/D4下限钳位。U1D输出14反馈到反相端13，构成电压跟随器。上限参考由+15V经R2、R1分压得到，下限暂以地为参考。
如图示

二、上限钳位电路①结构:R1、R2:分压+15V，为上限钳位提供基准电压VH=15V×R1/(R1+R2)。改变比值即可调整上限，限制输入最高电平。
U1B：比较输入与上限参考，输出控制信号，使过压时钳位支路动作。D3：单向开关，正常时截止隔离；过压时导通，从输入抽电流，把电压拉回上限。
②工作原理运放5脚接R2、R1分压点，参考电压VH=15V×R1/(R1+R2)。
当Vx<VH时，U1B输出正饱和，D3反偏截止，上限支路不工作。当Vx升高到VH时，U1B输出下降，D3正偏导通，电流从Vx经D3流入U1B输出端，Vx被拉低。由于6脚接Vx，形成单向负反馈，闭环后Vx≈VH。C1与R1并联，用于稳定参考电压；R3限制钳位电流。
该钳位电路作用是将Vx最高限制在VH=15V×R1/(R1+R2)。低于VH时D3截止，不影响；高于VH时D3导通，运放拉低Vx，防后级过压。
三、下限钳位电路①结构U1C：比较输入与下限参考，输出控制信号，使欠压时钳位支路动作。D4：单向开关，正常时截止隔离；欠压时导通，向输入注入电流，把电压拉回下限。
②工作原理当Vx>0V时，U1C输出为负，D4反偏截止，下限支路不工作。当Vx下降到0V时，U1C输出升高，D4正偏导通，电流从U1C输出经D4注入Vx，Vx被拉高。9脚接Vx形成单向负反馈，闭环后Vx≈0V。若10脚改接电阻分压参考VL，则下限可钳位到VL。

该钳位电路是将输入最低电平限制在设定下限。高于下限不影响；低于下限自动拉高并稳定在下限附近，防后级欠压误动作或损坏。
四、电压跟随器
U1D为电压跟随器。同相端12接Vx，输出端14反馈至反相端13。其输入阻抗高，不从Vx抽取明显电流，避免影响钳位精度；输出阻抗低，输出Vout=Vx，用于驱动后级。R3、C2构成输入低通，抑制高频噪声和瞬态电流，实际可取舍。

该电路作用是起缓冲隔离：高输入阻抗，不取前级电流；低输出阻抗，带载强。输出跟随输入，隔离后级负载对钳位节点影响。
五、 应用
该电路用于ADC、MCU引脚、运放输入、传感器接口等前端保护，将信号限制在VL～VH之间。调整R1、R2可改变上限，改变U1C同相端参考可改变下限。运放输出摆幅需覆盖参考电压加减二极管压降，R3需限制钳位电流，高频时注意二极管结电容和运放带宽。

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