クリッパー回路の理解：理論、シミュレーション、実用応用

クリッパーは、波形のピーク振幅を制限する受動電子回路です。以下の解析は、単一ダイオードと抵抗で信号を設定電圧閾値以下に制限するネガティブクリッパー構成に焦点を当てます。

クリッパー回路動作解析

回路図はXcircuit捕捉ツールで生成し、付随するSPICEネットリストを自動出力。テキストエディタでダイオードコンポーネントを挿入する微調整を行いました。

*SPICE 03437.eps * A K ModelName D1 0 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran .05m 3m .end

クリッパー：負ピークを–0.7 Vでクリップ。

正の半サイクル

入力正弦波が正ピーク（5 V）に上昇すると、ダイオードは逆バイアスされ非伝導状態。この半サイクルでは出力ノード2が入力をそのまま反映します。表示上、シミュレータの「plot v(1)+1」コマンドで入力波形を1 Vオフセットしています。

プロットでは、V(1)+1は実際には10 Vピークツーピーク正弦波を上方シフト。出力V(2)はダイオードD1により–0.7 Vでクリップされます。

負の半サイクル

正弦波の負の部分では、ダイオードが順バイアスされ伝導。入力が実質的にグランドに短絡され、出力は入力に追従するがダイオード順方向降下閾値まで。Siダイオードのデフォルト順方向電圧は0.7 V（モデルパラメータ指定ない限り）。Geやショットキーダイオードならより低電圧でクリップ、データシートで確認可能。

シミュレーションでは、入力が–0.7 Vを超えた後のみクリッピング発生；ダイオードは負半サイクル全体で伝導するわけではありません。

対称クリッパー回路

既存構成に逆並列ダイオードを追加すると、正負両ピークを制限する対称クリッパーになります。以下のネットリストがこの変更を反映：

*SPICE 03438.eps D1 0 2 diode D2 2 0 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.05m 3m .end

対称クリッパー：逆並列ダイオードで正負両ピークをクリップ、±0.7 V出力を生成。

ダイオードD1が負半サイクルを–0.7 Vでクランプ、D2が正半サイクルで入力が+0.7 Vを超えると伝導。残り電圧は直列抵抗に降下し、出力が±0.7 Vを超えないことを保証。

シミュレーションで両ダイオードの期待通りのクリッピング振る舞いを確認。

ダイオードクリッパーの一般形

最も汎用的なダイオードクリッパー設計は、調整可能な電圧リファレンスを組み込み、精密なクリッピングレベルを設定します。実在Siダイオードでは順方向降下をリファレンス電圧で考慮する必要があります。以下例では、D1が1.3 V + 0.7 V = 2.0 V、D2が–2.3 V – 0.7 V = –3.0 Vで伝導開始。

*SPICE 03439.eps V1 3 0 1.3 V2 4 0 -2.3 D1 2 3 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V3 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.05m 3m .end

D1が入力を2 Vでクリップ；D2が–3 Vでクリップ。

片側のみクリップする場合、対応するダイオードと電圧源を単純に削除。以下シミュレーションは、正半サイクルを2 Vに制限し、負半サイクルを変更なしで通すクリッパーを示します。

ツェナーダイオードクリッパー

ツェナーダイオードでクリッピングダイオードとDCリファレンス電圧の両方を置換可能。ツェナー降下電圧で自己バイアスされたクリッピングレベルが得られ、精密クリッピングが必要な高電圧用途で特に有用。

クリッパー回路の実用応用

クリッパー回路は多くの電子システムで重要な保護デバイスとして機能します。例えば、ラジオ送信機に入力する前に音声信号を増幅する際、クリッパーが増幅信号の送信機リニア範囲超過を防止。送信機を過駆動すると出力歪みだけでなく、隣局に干渉するスプリアス発生の原因となります。

図のクリッパーが、大音声によるピーク電圧逸脱から送信機を保護。

その他の一般的応用：

• クリッパーを意図的に過駆動し、正弦波を矩形波に変換。
• IC入力段保護。CMOS ICでは、クリッパーダイオードが0 Vと+5 Vレールを参照し、入力をデバイス安全動作範囲内にクランプ。
• 抵抗-ダイオード対にDCバイアスを組み合わせ、任意電圧レベルでクリッピング。レベルシフトと信号調整に採用される技法。

レビュー

• 抵抗-ダイオード対が信号を所定電圧でクリップ。
• 逆並列Siダイオードで±0.7 Vの対称クリッピング。
• ダイオードのグランド端子をDCバイアスで置換し、任意クリッピング閾値を設定可能。
• クリッパー回路が保護素子として、信号が規定限界を超えるのを防止。

関連ワークシート：

• クリッパーとクランパー回路ワークシート