Почему я не могу получить выходное напряжение ниже 0 В в этой цепи диода и конденсатора?

Вот пошаговый список того, что происходит:

• Вход начинается положительным. Диод смещен в обратном направлении, поэтому ток не течет и конденсатор не заряжается.
• Вокруг$t = 0.5s$, вход становится отрицательным. Диод смещен в прямом направлении, поэтому конденсатор заряжается до$1 V$(отрицательное значение минимального приложенного напряжения). Обратите внимание, что резистора нет, поэтому постоянной времени нет — конденсатор действует как разомкнутая цепь (как если бы источник был постоянным).
• После окончания зарядки конденсатора происходит смещение$+1 V$, и диод никогда больше не смещается в прямом направлении. Выход$V_{in} + 1V$.

Та модель диода, которую вы используете, совершенно нереалистична. Вы должны получить сдвинутую синусоиду, которая становится отрицательной чуть меньше чем на вольт и (очень медленно) возрастает с течением времени. Примерно так (модель 1N4004):

В конце концов (через очень долгое время) она будет напоминать вашу кривую, но это займет очень много времени, потому что диод не проводит большой ток при более низких напряжениях и должен заряжать конденсатор емкостью 1 Фарад.

Ответ Kynit правильный, но я думаю, что эта схема сбивает с толку расположение заземляющего узла. Давайте выберем другой узел и посмотрим, что произойдет.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Вот симуляция. Скачайте изображение или откройте его в отдельной вкладке, чтобы увидеть полноразмерную версию. V (Old_right_node) — V (Old_ground) — ваше выходное напряжение. V (Old_ground) - это отрицательное значение вашего входного напряжения.

Теперь вы можете видеть, что происходит. В течение первого полупериода диод выключен. Конденсатор не заряжен, поэтому напряжение на нем равно нулю. Это заставляет ваш ввод следовать за вашим выводом. Во время второго полупериода диод проводит, заряжая конденсатор до 1В. На диоде нет напряжения, поэтому ваш выход зажат на землю.

Как только конденсатор зарядится, диод больше никогда не загорится. V1 не может производить более 1 В, поэтому V(Old_ground) никогда не может быть больше, чем V(Old_right_node). Напряжение между вашим выходом и входом равно напряжению конденсатора, которое составляет постоянный 1 В. В вашей схеме V1 изменяет ваше входное напряжение. В моей схеме V1 изменяет напряжение земли. В любом случае результат один. Вопрос лишь в том, какую точку отсчета вы используете.

Схема, приведенная в вопросе, представляет собой положительный фиксатор.

На рисунке ниже показан диодный ограничитель, который вводит положительный уровень постоянного тока в форму выходного сигнала. Работу этой схемы можно увидеть, рассмотрев первый отрицательный полупериод входного напряжения.

Когда входное напряжение изначально становится отрицательным, диод смещается в прямом направлении, позволяя конденсатору заряжаться почти до пика входного напряжения ($V_p(in) - 0.7 V$), как показано на рисунке.

(Может потребоваться много отрицательных циклов, чтобы зарядить конденсатор до пика. Это зависит от номинала конденсатора, прямого сопротивления диода и амплитуды источника напряжения.)

Сразу после того, как конденсатор заряжается до отрицательного пика, диод смещается в обратном направлении. Это связано с тем, что катод находится вблизи$V_p(in) - 0.7 V$по заряду конденсатора. Предположим, что это$R_L = \infty$и, следовательно, конденсатор не имеет пути разряда.

Таким образом, когда конденсатор заряжается до пика, диод смещается в обратном направлении, и напряжение конденсатора действует по существу как батарея, последовательно соединенная с входным напряжением. Постоянное напряжение конденсатора добавляется к входному напряжению путем наложения, как на рисунке (b). Таким образом, выходное напряжение будет

Вот почему вы не получаете отрицательное напряжение.