倍压检波

一、前言

  将交变电压信号转换成直流信号，需要进行整流，或者说检波。为了提高检波的效率，有的应用使用了倍压检波。甚至有的时候使用了四倍压检波。当然了，这些电路的工作基础，都是基于二极管的单向导通特性。昨天，看到B站朋友询问倍压检波的原理。下面尝试着结合 LTspice 电路仿真来说明倍压检波的原理。

二、仿真结果

  我们首先在 LTspice中搭建一个半波检波电路。信号源输出峰峰值为2V ，1kHz 的交流信号，二极管检波负载为 RC电路，电阻为 1k欧姆，电容为 1微法。仿真之后，观察 10ms 之内的输出波形。可以看到在负载电阻上出现了波动直流。这个波动有点大，可以增加RC数值来加以改善。将电阻R1增加到10k欧姆，使用 PYthon 绘制仿真结果，这样看起来比较清楚。可以看到输出直流波动减少了。直流距离交流峰值之间的 0.6V的压差，是由于 二极管前向导通电压造成的。

  接下来，在原来的电路基础上，增加一个电容和一个二极管。形成倍压检波。请大家注意它们的连接方式。特别是二极管的极性向上。这里电容 C2 取 1微法。下面介绍一下工作原理。

  对于这个倍压检波， 我们分析前面两个周期的输入交流电信号作用下电路的工作课程。假设第一个是正半周电压，这个上升的电压通过C2，耦合到D1，通过D1 给负载充电。此时 D2 是反向截止的。在输入电压达到峰值的时候，电容C2 也充有左正右负的电压。接下来，对于负半周，输入信号通过C2 耦合到二极管 D1，D2。D1截止，D2 导通，给C2 反向进行充电。结果 C2 形成左负右正的充电状态。

接下来的正半周。输入信号重新通过C2 给D1施加电压。此时，由于C2在前面已经充有电压，假设理想情况下，这个电压与输入信号的峰值相同。那么在输入信号达到峰值的时候，在 D2，D1连接处就会形成 两倍峰值的电压。这个电压经过 D1 给负载充电，理想情况下也会使得负载电压上升到2倍峰值电压。这个过程重复进行，最终，输出会达到输入信号峰值的两倍。这也就是倍压检波的基本原理。倍压检波过程的理解复杂度与全桥整流理解复杂度基本上相当。

  下面， 我们分别观察输入信号 中间节点以及输出信号的电压波形。在 LTspice仿真结果窗口中，曲线看不太清楚，还是将结果导入 Python 绘制出仿真结果。蓝色信号为输入的峰峰之为 2V的电压信号。橙色信号是中间 D2 二极管上的电压信号。可以看到它最低电压为-0.7V左右，最高电压为3.3V，比4V电压，也就是两倍的输入信号峰值电压小了 0.7V。对照电路图，D2上的电压范围，最低是由它的导通电压钳位在 -0.7V，最高电压是3.3V，这个电压经过D1 之后，变成了 2.6V左右。最终给负载电容充电。由此可以看到，输出最终的电压与理论的两倍输入电压峰值之间 ，还相差了两个二极管导通电压降。在仿真结果中， 可以看到 绿色的输出电压曲线的平均值为 2.6V左右。

  下面将输入信号幅度提高到20V，观察与拆下仿真结果。可以看到输出倍压幅度也提高了。不过似乎输出电压信号平均值大约为 34V，距离2倍压40V相差了 6V左右，这比两个二极管前向导通电压要大。这是为什么呢？。这是因为此时，输出RC负载放电电流也增加了，充电还没有达到峰值变开始下降了。提高负载电阻，将其增加到100k欧姆，此时，检波输出就比较平稳了。输出的平均电压也增加了。 中间二极管上的峰值电压为38.9V，输出电阻的峰值，达到了38.3V。这就比两倍的二极管导通电压只是增加了四分之一左右。

※ 总  结 ※

  本文简单的讨论了倍压检波电路。在实际电路中，由于二极管前向导通电压的影响，输出检波电压要比输入信号峰值的两倍要小一些。在来复式收音机电路中，可以通过调整偏置电阻R1，给 倍压检波二极管产生一定的正向偏置，这样就可以减小二极管导通电压的影响，提高检波输出信号的幅值。基于此，也可以理解多级倍压检波电路的原理。比如这里给出的就是一个四倍压检波电路。具体分析可以参见相应的博文介绍。