مدارات کلمپر مدارهایی هستند که برای افزودن یک مقدار DC ثابت به سیگنال AC استفاده می‌شوند. این مدارات شکل سیگنال را تحریف نمی‌کنند بلکه فقط سطح DC آن را تغییر می‌دهند. به آن‌ها level shifter نیز گفته می‌شود. این مدارات به طور گسترده در تجهیزات تست و برخی سنسورها استفاده می‌شوند. در این مقاله انواع مدارات کلمپر و نحوه‌ی عملکرد آن‌ها با شکل موج ورودی-خروجی توضیح داده شده است.
نکته‌ی قابل توجه این است که در این مدار باید زمان دشارژ خازن آرام باشد. در واقع ثابت زمانی باید بزرگ‌تر از نصف پریود سیگنال ورودی باشد.
دو مدل مدار کلمپر وجود دارد:
- مدار کلمپر مثبت: سطح DC سیگنال ورودی را افزایش می‌دهد
- مدار کلمپر منفی: سطح DC سیگنال ورودی را کاهش می‌دهد
در هر حالت با اضافه کردن منبع ولتاژ به مدار می‌توان 4 مدل مدار دیگر نیز به دست آورد که هر کدام کارکرد خود را دارند. مدار کلمپر مثبت با بایاس مثبت، مدار کلمپر مثبت با بایاس منفی، مدار کلمپر منفی با بایاس مثبت، مدار کلمپر منفی با بایاس منفی. در ادامه ابتدا ساختار دو نمونه از مدارات کلمپر مثبت را بررسی می‌کنیم و در ادامه به بررسی مختصر مدارات کمپر منفی می‌پردازیم. تحلیل این مدارات تا حد زیادی شبیه به هم می‌باشند.
-
مدار کلمپ مثبت
تصویر زیر ساختار مدار کلمپ مثبت و شکل موج ورودی و خروجی آن را نشان می‌دهد.
در نیم‌سیکل مثبت اول، دیود در بایاس معکوس قرار دارد و سیگنال ورودی عینا در خروجی قرار خواهد گرفت. همچنین در این حالت خازن شارژ نشده‌است. در تصویر بالا خروجی مدار در نیم سیکل اول رسم نشده‌است. شکل موج دقیق مدار با در نظر گرفتن شکل موج در نیم‌سیکل اول که خازن شارژ نشده‌است به صورت روبرو می‌باشد.
در ادامه در نیم‌سیکل منفی دیود در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد و جریان از آن عبور می‌کند. خازن در این قسمت تا را مقدار پیک Vm شارژ می‌شود. پلاریته خازن در این حالت به شکلیست که صفحه راست آن بار مثبت و صفحه چپ بار منفی خواهد داشت. در نیم سیکل مثبت بعدی، دیود مجددا در بایاس معکوس خواهد بود. شارژ ذخیره‌شده در خازن نیز در این حالت تخلیه می‌شود. ولتاژ تخلیه‌شده خازن به سیگنال ورودی اضافه می‌شود و مجموع آن ها در خروجی ظاهر می‌شود. در واقع ولتاژ خروجی برابر مجموع ولتاژ ورودی (Vi) و ولتاژ ذخیره شده در خازن (Vm) خواهد بود. چون پلاریته شارژ خازن با ورودی یکسان بود، سیگنال به اندازه شارژ خازن (Vm) به سمت بالا شیفت پیدا می‌کند.
این مدار تمام سیگنال ورودی را به ولتاژهای مثبت خواهد آورد.
Vo = Vi + Vm
-
مدار کلمپ مثبت با بایاس مثبت
اگر بخواهیم علاوه بر آوردن تمام شکل موج به قسمت های مثبت، سطح DC آن را باز هم بالا ببریم، می توانیم از مدار کلمپ مثبت با ولتاژ Vb مثبت استفاده کنیم. درین صورت تنظیم سطح DC مدار تماما در دست طراح و قابل کنترل خواهد بود. مطابق تصویر زیر، اگر مدار کلمپ با یک ولتاژ رفرنس مثبت بایاس شود (که به صورت سری با دیود قرار می‌گیرد)، آن مقدار ولتاژ به خروجی مدار اضافه می‌شود و سطح dc سیگنال را افزایش می‌دهد. شکل موج سیگنال های ورودی و خروجی این مدار در زیر نشان داده شده‌اند.
در طی نیم‌سیکل مثبت، تا زمانی که ولتاژ ورودی بیشتر از Vb نشده است، دیود هدایت می‌کند و خازن در این مدت تا مقدار Vr شارژ می‌شود. به محض بیشتر شده Vi از Vb، دیود دیگر هدایت نمی‌کند؛ سپس در نیم‌سیکل منفی دیود در بایاس مستقیم قرار خواهد گرفت، تا جایی که خازن در این نیم‌سیکل تا ولتاژ Vm+Vb شارژ می‌شود و این شارژ خازن در طول نیم‌سیکل مثبت بعدی به ولتاژ ورودی افزوده شده و در خروجی ظاهر می‌شود. ادامه روند مانند مدار کلمپر ساده است. در واقع باقی مدارات را به همان صورت و در نظر گرفتن تغییرات در هر مدار می‌توان تحلیل کرد.
-
مدار کلمپر مثبت با بایاس منفی
تحلیل این مدار هم مشابه تحلیل‌های بالا به سادگی امکان پذیر است. ساختار مدار و شکل موج های ورودی و خروجی در تصویر زیر آورده شده‌اند.
-
مدار کلمپر منفی
همانطور که گفته شد اگر بخواهیم سطح DC سیگنال را کاهش دهیم، از مدار کلمپر منفی استفاده می‌کنیم. این مدار نیز مانند کلمپر مثبت از یک خازن و مقاومت و یک دیود تشکیل شده است؛ با این تفاوت که در این مدار ولتاژ برعکس حالتی قرار می گیرد که در مدار کلمپر مثبت قرار داشت. این مدار شکل موج ورودی را به طور کامل به قسمت منفی منتقل می‌کند. در تصویر زیر شکل مدار و نمودارهای ورودی و خروجی آورده شده است.
تحلیل این مدارات به تحلیل‌های قبلی بسیار شبیه است. در طول نیم‌سیکل مثبت خازن تا ولتاژ Vm شارژ می‌شود. باید دقت کرد که پلاریته خازن به این صورت است که صفحه سمت چپ، ولتاژ مثبت و صفحه سمت راست ولتاژ منفی دارد. در این حالت دیود در بایاس مستقیم قرار دارد و هدایت می‌کند. سپس در نیم سیکل منفی، دیود بایاس معکوس می‌شود. در نتیجه مانند مدار باز عمل می‌کند و خروجی در هر لحظه از رابطه زیر به دست خواهد آمد.
Vo = Vi – Vm
چون ثابت زمانی مدار مقدار کوچکی انتخاب شده بود و فرض کردیم خازن به آرامی تخلیه می‌شود، در سیکل‌های مثبت بعدی ولتاژ دو سر خازن را مقدار Vm در نظر می‌گیریم. در نتیجه درستی رابطه بالا برای سیکل‌های بعدی نیز تضمین می‌شود. دقت کنید تنها در نیم‌سیکل اول که خازن در حال شارژ است ممکن است خروجی نداشته باشیم.
در این حالت نیز مانند مدار کلمپ مثبت در شکل موج سیگنال تغییری به وجود نخواهد آمد و تنها سطح DC سیگنال تغییر می‌کند.
-
مدار کلمپر منفی با بایاس مثبت
ساختار مدار کلمپ منفی با ولتاژ منفی در تصویر زیر آمده است.
-
مدار کلمپر منفی با بایاس منفی
ساختار و شکل موج ورودی و خروجی این مدار نیز در شکل زیر آورده شده است.
کاربرد ها
برخی از کاربردهای مدار کلمپر یا تغییر سطح را در زیر عنوان کرده‌ایم.
- به عنوان بازسازی کننده جریان مستقیم
- برای از بین بردن اعوجاج
- برای محافظت تقویت کننده‌ها
- در مدارات تست
- به عنوان تثبیت کننده base-line
خلاصه
در این مقاله با مدارات کلمپر برای تغییر سطح سیگنال‌ها آشنا شدیم. با استفاده از این مدارات ساده می‌توانیم مشکلات بزرگی را حل کنیم. در واقع علاوه بر کاربرد های ذکر شده در بالا، مواقع زیادی پیش می‌آید که می‌خواهیم تمام سیگنال در یک نیمه (یا در قسمت‌های مثبت و یا قسمت‌های منفی) قرار بگیرد. برای مثال ممکن است رنج ولتاژهای ورودی به قطعات مختلف مقدار مینیممی داشته باشد و یا در درایو کردن قطعات این نیاز وجود داشته باشد. در این صورت به سادگی می‌توانیم با استفاده از این مدارات این مشکل را حل کنیم. ولتاژ رفرنس را نیز می‌توانیم با تقسیم ولتاژ مقاومتی یک سطح DC ثابت بسازیم یا اگر دقت بالایی مد نظر باشد از رگولاتورها استفاده کنیم. در مرکز ذهن دیجیتال طراحی مدارات با بهترین کیفیت انجام شده و در اختیار مشتری قرار می‌گیرد. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه با کارشناسان ما در ارتباطات باشید.
