クランパー（電子機器）

クランパー（またはクランプ回路、クランプ）は、信号に可変の正または負のDC電圧を加えることで、信号の正または負のピーク振幅を定義された電圧に固定する電子回路です。 ^[2]クランパーは信号のピークツーピーク振幅を制限するのではなく（クリッピング）、信号全体を上下に移動させて、信号のピークを基準レベルに配置します。

ダイオードクランプ(シンプルで一般的なタイプ) は、電流を一方向にのみ伝導し、信号が基準値を超えないようにするダイオードと、蓄積された電荷から DC オフセットを提供するコンデンサで構成されます。コンデンサは抵抗負荷とともに時定数を形成し、これによってクランプが有効な周波数の範囲が決まります。

クランパーは、波形の上限または下限を固定の DC 電圧レベルに固定します。これらの回路は、DC 電圧リストアとも呼ばれます。クランパーは、正極性と負極性の両方で構成できます。バイアスがない場合、クランピング回路は電圧の下限 (負のクランパーの場合は上限) を 0 ボルトに固定します。これらの回路は、平均 DC レベルを中心に変動する容量結合信号と比較して、波形のピークを特定の DC レベルに固定します。

クランプ ネットワークは、信号を異なる DC レベルに「クランプ」するものです。ネットワークには、コンデンサ、ダイオード、およびオプションで抵抗素子や負荷が必要ですが、独立した DC 電源を使用して追加のシフトを導入することもできます。R と C の大きさは、ダイオードが非導通の期間中にコンデンサの電圧が大幅に放電しないように、時間定数 RC が十分に大きくなるように選択する必要があります。

クランプ回路は、動作によって、負または正、バイアスまたはバイアスなしに分類されます。正クランプ回路 (負ピーク クランプ) は、入力信号から純粋な正の波形を出力します。入力信号をオフセットして、波形全体が 0 V より大きくなるようにします。負クランプはこれと反対で、入力信号から純粋な負の波形を出力します。ダイオードとグランド間のバイアス電圧は、その量だけ出力電圧をオフセットします。

たとえば、ピーク値 5 V (V _{INpeak = 5 V) の入力信号が、バイアス 3 V (V BIAS} = 3 V)の正クランプに適用される場合、ピーク出力電圧は次のようになります。

V _OUTpeak = 2 × V _INpeak + V _BIAS

V _OUTpeak = 2 × 5 V + 3 V

V _OUTpeak = 13 V

(ピークツーピークの変動は 10  V のままです。)

入力AC信号の負のサイクルでは、ダイオードは順方向バイアスされて導通し、コンデンサをピークの負の値V _INまで充電します。正のサイクルでは、ダイオードは逆バイアスされるため導通しません。したがって、出力電圧はコンデンサに蓄えられた電圧と入力電圧の合計に等しくなり、^[3] V _OUT = V _IN + V _{INpeakとなります。これは}ヴィラード回路とも呼ばれます。

負バイアス クランプは、等価正クランプの逆です。入力 AC 信号の正サイクルでは、ダイオードは順バイアスされて導通し、コンデンサをピークの正の値 V _INまで充電します。負サイクルでは、ダイオードは逆バイアスされるため導通しません。したがって、出力電圧はコンデンサに蓄えられた電圧と入力電圧の合計に等しくなり、V _OUT = V _IN − V _INpeakとなります。

正バイアス電圧クランプは、同等のバイアスなしクランプと同じですが、出力電圧がバイアス量 V _BIASだけオフセットされます。したがって、 V _OUT = V _IN + (V _INpeak + V _BIAS ) となります。

負バイアス電圧クランプは、同様に等価のバイアスなしクランプと同じですが、出力電圧がバイアス量 V _BIASだけ負の方向にオフセットされます。したがって、 V _OUT = V _IN − (V _INpeak + V _BIAS ) となります。

この図は、ゼロ以外の基準クランプ電圧を持つオペアンプベースのクランプ回路を示しています。ここでの利点は、クランプ レベルが正確に基準電圧にあることです。ダイオードの順方向電圧降下を考慮する必要はありません (これは基準電圧に追加されるため、前述の単純な回路では必要です)。ダイオードの電圧降下が回路出力に与える影響は、アンプのゲインによって分割されるため、誤差はわずかになります。また、この回路は、単純なダイオード回路と比較して、小さな入力信号での直線性が大幅に改善されており、負荷の変化による影響もほとんどありません。

クランプを使用すると、元の入力の信号範囲を利用できない、または元の入力の信号範囲によって損傷を受ける可能性があるデバイスに入力信号を適合させることができます。

AC 入力電圧の最初の負の位相では、正のクランプ回路のコンデンサが急速に充電されます。V in が正になると、_{コンデンサ}は電圧倍増器として機能します。負のサイクル中にV _inと同等の電圧を蓄えているため、正のサイクル中にほぼその電圧を提供します。これにより、負荷から見た電圧が実質的に倍増します。V _{in が負になると、コンデンサは}V _inと同じ電圧のバッテリーとして機能します。電圧源とコンデンサは互いに打ち消し合い、負荷から見た正味電圧はゼロになります。

コンデンサと負荷と並列にダイオードが接続されたパッシブ タイプのクランパーの場合、負荷がパフォーマンスに大きく影響することがあります。RとCの大きさは、ダイオードの非導通期間中にコンデンサの電圧が大幅に放電しないように、時定数が十分に大きくなるように選択されます。負荷抵抗が低すぎる (負荷が重い) と、コンデンサが部分的に放電し、波形のピークが意図したクランプ電圧からずれてしまいます。この影響は低周波数で最大になります。高周波数では、コンデンサが放電するサイクル間の時間が短くなります。 ${\displaystyle \tau =RC}$

負荷放電を克服するためにコンデンサを任意に大きくすることはできません。導通期間中、コンデンサを再充電する必要があります。このために必要な時間は、異なる時定数によって決まります。この時間は、駆動回路の静電容量と内部インピーダンスによって設定されます。ピーク電圧は 1/4 サイクルで到達し、その後再び低下し始めるため、コンデンサは 1/4 サイクルで再充電する必要があります。この要件を満たすには、低い静電容量が必要です。

駆動インピーダンスが高く、負荷インピーダンスが低いアプリケーションでは、静電容量値に関する 2 つの相反する要件を満たすことができない場合があります。このような場合は、上記のオペアンプ回路などのアクティブ回路を使用する必要があります。

電圧源と抵抗器を使用することで、クランプにバイアスをかけ、出力電圧を異なる値にバインドできます。ポテンショメータに供給される電圧は、正または負のクランプのいずれの場合も、ゼロからのオフセットに等しくなります (理想的なダイオードを想定) (クランプの種類によってオフセットの方向が決まります)。正または負のいずれかに負の電圧が供給されると、波形は x 軸を横切り、反対側でこの大きさの値にバインドされます。電圧源とポテンショメータの代わりにツェナー ダイオードを使用することもできます。その場合、オフセットはツェナー電圧に設定されます。

クランプ回路は、アナログテレビ受信機では一般的でした。これらのセットには、ライン ブランキング (リトレース) 期間の「バック ポーチ」中にビデオ信号の電圧を 0 V に戻す DC 復元回路があります。信号に誘導される低周波干渉、特に電源ラインのハムは、画像のレンダリングを損ない、極端な場合にはセットの同期が失われます。この干渉は、この方法によって効果的に除去できます。

• クリッパー（電子工学）、一定の制限を課し、信号をオフセットしない回路
• エンベロープ検出器、最大値（または最小値）を出力する回路。ダイオードとコンデンサを交換したクランパー
• ショットキーダイオード
• スナバ回路は、アーク放電や絶縁破壊を減らすために、dV/dt を低減したり、ピーク電圧を制限したりする回路です。

• RM Marston (1991)。ダイオード、トランジスタ、FET回路マニュアル。新しさ。pp. 13–17。ISBN 978-1-4831-3540-3。
• 整流器アプリケーションハンドブック HB214/D Rev. 2 . ON Semiconductor . 2001 年 11 月 . pp. 160–161.
• JA Coekin (1975)。高速パルス技術。ペルガモン。pp. 60–64。ISBN 978-1-4831-0548-2。