接触感知 钳位电路分析

以下是NG板接触感知电路的原理图。两极分别为P3和P4S，电压值P4S < P3。
电路结构分两部分，第一部分对输入电压进行分压+钳位。后级电路使用LM113比较器芯片进行电压比较，输出ST接触感知信号。

钳位电路输出特性分析

输出电压变化趋势： 在P4S输入电压（-120…+40V）范围内，输出电压 $V_{P4S\_in}$ 呈现出典型的分段线性钳位特性。如图所示，可以划分为三个区段：

• 负钳位区：当P4S电压低于约 -21V 时，负向钳位二极管导通，输出被钳位在负电源-15V 再加上二极管正向压降（约0.7V）处，即约 -15.7V。此时无论P4S再继续减小，输出基本保持不变。根据二极管钳位原理，当二极管导通时电压将被限制在其导通压降附近。
• 线性分压区：当P4S在约 -21V 到 +21V 之间时，两只钳位二极管均截止，输出端只受R29、R30分压影响。此时输出电压为输入电压的固定比例：$V_{P4S\_in}=\frac{R_{30}}{R_{29}+R_{30}}\times P4S=\frac{15k\Omega }{5.1k\Omega +15k\Omega }\approx 0.746\times P4S.$ 也即输出电压随P4S线性变化，斜率约0.746。
• 正钳位区：当P4S超过约 +21V 时，正向钳位二极管开始导通，将输出钳位在+15V 加二极管压降（≈+15.7V）。此时无论P4S再增大，输出电压基本稳定在约 +15.7V 附近。

上述区间的分界点可由简单分压计算得出：设钳位导通时输出约为±15.7V，代入分压公式 $15.7=0.746\times P4S$，解得P4S≈±21.0V，从而确定钳位与线性区的分界。

关键点输入/输出电压对照

P4S输入电压 (V)	所在区段	$V_{P4S\_in}$ 计算 / 结果 (V)
–120	负钳位区	≈ –15.7（饱和钳位）
–80	负钳位区	≈ –15.7（饱和钳位）
–40	负钳位区	≈ –15.7（饱和钳位）
0	线性分压区	$0.746\times 0=0.00$
20	线性分压区	$0.746\times 20\approx 14.92$
40	正钳位区	≈ +15.7（饱和钳位）

以上表格列出典型输入值下的输出电压。可以看到，当P4S在分压区（-21V~+21V）内时，输出等于输入×0.746；而当输入超过±21V时，输出均被限制在大约±15.7V 附近。

分压区电压计算表

P4S 输入电压 (V)	计算公式	V_P4S_in 输出电压 (V)
–21	0.746 × (–21)	–15.666
–20	0.746 × (–20)	–14.920
–15	0.746 × (–15)	–11.190
–10	0.746 × (–10)	–7.460
–5	0.746 × (–5)	–3.730
0	0.746 × 0	0.000
+5	0.746 × 5	+3.730
+10	0.746 × 10	+7.460
+15	0.746 × 15	+11.190
+20	0.746 × 20	+14.920
+21	0.746 × 21	+15.666

钳位区与线性区边界说明

从电路分析可知，输出钳位发生在输入电压使得分压后的节点达到±（15V+0.7V）时。计算方式如下：当输出正向钳位阈值时，有

$$0.746\times P4S_{阈}=15.7\Rightarrow P4S_{阈}\approx +21.0\text{ V},$$

当输出负向钳位阈值时，

$$0.746\times P4S_{阈}=-15.7\Rightarrow P4S_{阈}\approx -21.0\text{ V}.$$

因此，大约在P4S = ±21V处发生钳位翻转边界。线性分压区间是两个边界之间（≈–21V 到 +21V），在该区间输出随输入线性变化；钳位区位于区间之外，输出几乎饱和于钳位电压±15.7V。这些现象符合二极管钳位电路原理：当二极管正向导通时，输出电压被锁定在二极管导通压降附近，而当二极管截止时，输出电压按电阻分压规律变化。

输出特性曲线趋势

综合上述分析，可绘制出输出电压随输入变化的典型特性曲线：当P4S从-120V开始增加时，输出先稳定在-15.7V（负钳位），直到P4S增至约-21V时，二极管截止，此后输出随输入线性上升（斜率≈0.746），经过P4S=0V时输出为0V，继续上升到P4S约+21V时达到+15.7V；超过+21V后，输出再被钳位在+15.7V附近（正钳位）。这种“平顶加线性升降加平底”的形状正是钳位分压电路的电压传输特性。下表和示意图直观展示了这一变化规律（图中红线为输出与输入的对应关系）：

表格和以上分析清晰地表明：输出电压在输入超过±21V时被钳制在接近±15.7V（由电源±15V加上二极管约0.7V的导通压降决定），而在中间区间则按约0.746的比例线性变化。此结果符合二极管钳位与分压电路的理论预期。

参考二极管钳位电路的基本原理和分压公式进行计算和分析。