تکنیک ولتاژ کلمپ در سال ۱۹۴۹ توسط Kenneth Cole برای تثبیت ولتاژ غشای نورون‌ها برای اهداف آزمایشی توسعه داده شد. این روش در اوایل دهه‌ی ۱۹۵۰ توسط هوجکین و هاکسلی برای پی بردن به مکانیسم یونی پتانسیل عمل به کار گرفته شد.
ولتاژ کلمپ به آزمایشگر این اجازه را می‌دهد تا پتانسیل غشا را در سطوح از پیش تعیین شده‌ای ثابت نگه داشته و از تغییرات جریان غشا که روی پتانسیل آن تأثیر می‌گذارد، جلوگیری کند. با کنترل پتانسیل غشا، می‌توان اثر تغییرات آن را روی رسانایی غشا به تک‌تک یون‌ها اندازه گرفت.
ولتاژ کلمپ از یک جفت الکترود داخل و خارج سلولی تشکیل می‌شود؛ از این جفت الکترودها برای اندازه‌گیری پتانسیل و عبور جریان از غشا استفاده می‌کنند. با استفاده از یک تقویت‌کننده‌ی فیدبک منفی، ولتاژ کلمپ قادر است تا مقدار صحیحی از جریان را از عرض غشا به منظور ثابت نگه داشتن پتانسیل آن در محدوده‌ای از پیش تعیین شده، عبور دهد.
دپلاریزاسیون با باز کردن کانال‌های وابسته به ولتاژ دریچه‌دار، عبور این یون‌ها را از عرض غشا کلید می‌زند. این تغییر در جریان غشایی پتانسیل غشا را تغییر خواهد داد ولی ولتاژ کلمپ آن را در سطح دلخواه نگه می‌دارد.
وقتی کانال‌های دریچه‌دار سدیم در پاسخ به دپلاریزاسیونی جرئی باز شدند، به دلیل شیب الکتروشیمیایی رو به داخل، جریانی از یون‌های سدیم به سمت داخل سلول ایجاد خواهد شد. این جریان با افزایش بارهای مثبت در سمت داخل غشا و کاهش آن در طرف خارج، به پیشبرد دپلاریزاسیون کمک می‌کند.
ولتاژ کلمپ با خروج بار مثبت از سلول و انتقال آن به محلول بیرونی، به طور همزمان با این پروسه مقابله می‌نماید. با ایجاد جریانی که برابر و مخالف با جریان غشاست، مدار ولتاژ کلمپ به طور خودکار از دست زدن به پتانسیل غشا از آن مقداری که برایش تعیین شده، جلوگیری می‌کند. در نتیجه‌ی این امر، توزیع بار در دو سوی غشا زیاد تغییر نکرده و اتفاق خاصی برای پتانسیل غشا (Vm) نمی‌افتد.
پس می‌توان گفت، ولتاژ کلمپ یک سیستم فیدبک منفی است. به سیستمی فیدبک منفی می‌گویند که در آن مقدار خروجی سیستم (در این مورد Vm)، برای آن سیستم ورودی محسوب شود که با مقدار مرجع (سیگنالی که ما اعمال کرده‌ایم) مقایسه میگردد. هر اختلافی بین سیگنال مورد نظر و سیگنال خروجی نوعی “کنترل‌گر” (در این مورد تقویت‌کننده‌ی فیدبک) را فعال می‌نماید که به طور اتوماتیک آن اختلاف را کم خواهد کرد. بدین ترتیب، پتانسیل واقعی غشا به صورت خودکار دنباله‌رو پتانسیل سیگنال ما خواهد بود.
برای مثال، یک جریان رو به داخل سدیم از طریق کانال‌های دریچه‌دار سدیمی را فرض کنید که قاعدتاً پتانسیل غشا را مثبت‌تر از پتانسیل مورد نظر ما خواهد کرد. این ورودی به تقویت‌کننده‌ی فیدبک برابر است با (Vcommand – Vm). تقویت‌کننده ولتاژ خروجی برابری به وجود می‌آورد که برابر است با این سیگنال مزاحم ضرب در گین تقویت‌کننده. بنابراین، هم ولتاژ ورودی و هم ولتاژ خروجی حاصل آن، در سیستم تقویت‌کننده منفی خواهند بود.
این ولتاژ خروجی منفی، جریان الکترود داخلی را منفی کرده و بار مثبت ایجاد شده درون سلول را از طریق مدار ولتاژ کلمپ خارج می‌نماید. با جریان حاصله در مدار، مقدار برابری از بار مثبت، توسط الکترود جریان در محلول بیرونی قرار داده می‌شود.
