1(3) Диодные ограничители амплитуды

Ограничители амплитуды — устройства, напряжение на выходе которых и_вых пропорционально входному напряжению и_вх до тех пор, пока последнее не достигает некоторого уровня, называемого порогом ограничения, после этого и_вых остается постоянным, несмотря на изменения и_вх.

Чтобы пропорциональность между и_вых и и_вх имела место только на некотором участке, характеристика ограничителя и_вых=f(и_вх) обязательно должна быть нелинейной. Поэтому необ­ходимой деталью ограничителя является нелинейный элемент (обычно полупроводниковый диод, обладающий малыми габари­тами и массой и потребляющий незначительную энергию).

На рис. 4.15 показаны амплитудные характеристики ограни­чителей с разными порогами ограничения. Напряжение на выхо­де ограничителя с характеристикой, изображенной на рис. 4.15, а, следует за входным напряжением, пока последнее не превысит уровня U_огр. Дальнейшее увеличение и_вх не вызывает изменений и_вых. Такой вид ограничения называется ограничением по ма­ксимуму или ограничением сверху.

Рис. 4.15

На рис. 4.15, б, в показаны характеристики, обеспечивающие соответственно ограничение по минимуму (снизу) и двустороннее ограничение с уровнями ограничения U_огр1и U_огр2

На рис. 4.15, г дана характеристика, обеспечивающая ограничение снизу на нулевом пороге. Ограничитель с такой характеристикой пропускает на выход напряжение только положительной полярности.

Ограничитель, пропускающий на выход напряжения только отрицательной полярности, должен иметь характеристику, расположенную в третьем квадранте (изображена пунктиром на рис. 4.15, г).

Часто ограничители используются для получения последова­тельности однополярных импульсов из последовательности разнополярных (рис. 4.15, г), а также для формирования трапецеидальных импульсов из синусоидального напряжения при двустороннем ограничении (рис. 4.15, в). Чем больше амплитуда U_m и частота а синусоидального напряжения, тем круче нарастает синусоида — тем меньше длительность фронтов t_ф, выходных импульсов. Она дополнительно уменьшается с уменьшением порога ограничения U_orp. Величину t_ф, обусловленную только тем, что импульс формируется из синусоиды, можно определить (рис. 4.16) исходя из того, что

откуда

Т ак как ограничение ведется с целью получения импульсов с крутыми фронтами, то длительность фронта t_ф мала. Это дает основание заменить синусоидальную функцию ее аргументом и записать

Рис. 4.16

При изучении диодных ограничителей следует исходить из того, что практически диод проводит ток, когда потенциал его анода выше потенциала катода. Работу диодных ограничителей будем рассматривать при воздействии на вход синусоидального напряжения.

В зависимости от способа соединения нагрузки и диода различают последова-

тельные и параллельные диодные ограничители.

Последовательные диодные ограничители. Ограничитель с нулевым порогом ограничения. Схема такого ограничителя приведена на рис. 4.17, а. Из нее следует, что входное напряжение и_вх распределяется между диодом VD и резистором нагрузки R_H. От соотношения их сопротивлений зависит, какая часть и_вх выде­ляется на выходе.

Сопротивление диода в прямом (пропускном) направлении R_пр много меньше сопротивления резистора нагрузки R_H. Поэтому положительная полуволна напряжения и_вх⁺ практически полностью выделяется на выходе.

Сопротивление диода в обратном (непропускном) направлении R_обр много больше R_H. Поэтому отрицательная полуволна и_вх^- практически полностью выделяется на диоде и и_вх ≈0.

Из сказанного следует, что диодный ограничитель можно рассматривать как устройство с переменным коэффициентом передачи K_пер входного напряжения на выход. Пока и_вх не дос­тигает порога ограничения, K_пер≈1, т. е. и_вых≈и_вх. После достижения порога ограничения К_пер≈0, т. е. и_вых≈0.

Рис. 4.17

На рис. 4.17, б изображены кривые напряжений и_вх и и_вых, иллюстрирующие работу ограничителя (рис. 4.17, а). Сопротив­ление R_пр, имеет небольшое значение (R_пр <<R_н), но не равно нулю, поэтому незначительная часть и_вх⁺ все-таки выделяется на диоде и и_вых⁺ несколько меньше и_вх.⁺ Неравенство R_обр>> R_н является более сильным, поэтому при действии и_вх.^-напряжение и_вых⁺ на рис. 4.17, б показано равным нулю. Таким образом, рассмотрен­ная схема обеспечивает ограничение входного напряжения снизу с порогом ограничения, равным нулю.

Ограничение сверху с нулевым порогом можно получить изменив направление включения диода (рис. 4.17, в, г).

Как уже отмечалось, ограничитель с нулевым порогом огра­ничения применяется для исключения импульсов определенной полярности из последовательности разнополярных импульсов (рис. 4.17, д).

Ограничитель с ненулевым порогом ограничения. Для получения порога ограничения, отличного от нуля, последовате­льно с нагрузкой включают источник постоянного напряжения Е (рис. 4.18).

В схеме, изображенной на рис. 4.18, а, при отсутствии входного сигнала источник Е сообщает катоду диода VD отрицатель­ный потенциал, анод диода через источник входного напряжения соединяется с положительным зажимом + Е, так что диод смещается в прямом направлении. В результате до поступления вход

Рис. 4.18

ного напряжения диод открыт и через резистор R_K протекает ток, создавая на нем напряжение с полярностью, указанной на рисунке.

Если пренебречь сопротивлением источника и по-прежнему считать R_пр <<R_н, то основным сопротивлением в цепи будет R_н, поэтому до момента действия и_вх напряжение и_Rн≈Е и и_вых = и_Rн – Е≈0.

Положительная полуволна и_вх действует согласно с Е и почти целиком выделяется на резисторе R_н. Поэтому

т е. выходное напряжение, начиная нарастать от нуля, повто­ряет все изменения входного напряжения.

При действии отрицательной полуволны и_вх источники Е и и_вх оказываются включенными встречно, так что результирующее напряжение в цепи

где и_вх (здесь и далее) — абсолютное значение напряжения.

Пока напряжение Е— и_вх положительное, диод смещен в пря­мом направлении, он проводит ток и напряжение на выходе равно входному.

В некоторый момент напряжение нарастающей отрицатель­ной полуволны и_вх достигает значения, равного — Е. При этом диод запирается и дальнейшее увеличение и_вх не влияет на выход­ное напряжение.

Сказанное иллюстрируется кривыми (рис. 4.18, а). На них предельные значения потенциала катода (ниже которого но не может быть) и_пр = — Е. Поэтому, как только потенциал анода и_вх окажется ниже и_пр, диод запрется и на выходе установится напря­жение и_вых = — Е. Таким образом, рассмотренная схема обеспечи­вает ограничение снизу с отрицательным порогом U_orp = — Е.

Если в схеме рис. 4.18, а изменить полярность источника Е и направление включения диода, то получится схема, приведен­ная на рис. 4.18, б. Как и в предыдущей схеме, здесь до момента действия и„ напряжение на выходе равно нулю. Предельное значение потенциала анода (после запирания диода), выше кото­рого оно не может быть, в этом случае составляет и_пр = Е.

Имея в виду, что потенциал катода равен и_вх, легко прийти к выводу, что входное напряжение, превышающее и_пр на выход передаваться не будет (см. кривые на рис. 4.18, б).

Рассмотрение других сочетаний полярности источника Е и направления включения диода не сложно.

Комбинируя ограничения сверху и снизу (рис. 4.18, а, б), можно получить двусторонний ограничитель (рис. 4.18, в), который используется для формирования из синусоидального напряжения трапецеидальных импульсов. Диод VD1 пропускает положительную полуволну входного напряжения, но ограничивает отрицательную полуволну на уровне Е₁ подобно схеме рис. 4.18, а. Диод VD2 пропускает с нагрузки R_н на выход схемы ограниченную отрицательную полуволну и ограничивает на уровне Е₂ положительную полуволну (подобно схеме рис. 4.18, б).

Временные диаграммы на рис. 4.18 соответствуют идеальному диоду: R_пр = 0, R_обр = ∞.

Параллельные диодные ограничители. Ограничитель с нулевым порогом ограничения. Схема такого ограничителя приведена на рис. 4.19, а. Необходимым элементом ее является ограничивающий резистор R_огр, который выбирают так, чтобы выполнялось неравенство

Рис. 4.19

где R_пр и R_обр — сопро­тивления диода, сме­щенного в прямом и об­ратном направлениях.

Входное напряже­ние ограничителя рас­пределяется между R_огр и участком цепи, обра­зованным параллельно включенным диодом и нагрузкой R_н.

При открытом дио­де сопротивление этого участка за счет неболь­шого R_пр мало и почти все входное напряже­ние выделяется на R_огр (R_огр» R_пр), а u_вых≈0.

Запертый диод не шунтирует нагрузку R_H (R_обр» R_H); входное напряжение делится между R_orp и R_H и так как R_H » R_orp, то на нагрузку падает основная часть u_вх: u_вых≈ u_вх.

В схеме рис. 4.19, а диод открывается во время действия положительной полуволны u_вх. Поэтому на выходе выделяется, по существу, только отрицательная полуволна — схема обеспе­чивает ограничение сверху с нулевым порогом.

Работу ограничителя (рис. 4.19, а) иллюстрируют временные диаграммы (рис. 4.19, б). Хотя R_H « R_orp, часть входного напряже­ния выделяется на R_orp, так что даже при запертом диоде выход­ное напряжение несколько меньше входного. Сопротивление от­крытого диода мало (R_огр» R_пр), но не равно нулю, поэтому часть положительной полуволны u_вх на выходе все-таки выделяется.

Если изменить направление включения диода (рис. 4.19, в, г), то на выходе схемы выделится положительная полуволна — схема обеспечивает ограничение снизу с нулевым порогом.

Ограничитель с ненулевым порогом ограничения. Включение источника в цепь диода позволяет получить уровни ограничения, отличные от нуля. Так, в схеме рис. 4.20, а в отсутствие входного напряжения диод заперт и u_вых = 0. Отрицательная полуволна u_вх не может отпереть диод, и почти все ее напряжение выделяется на выходе. Пока положительная полуволна входного напряжения не отпирает диод, напряжение с входа передается на выход.

После того как u_вх превысит Е, диод откроется и выходное напряжение перестанет изменяться вслед за входным. Таким образом, схема обеспечивает ограничение сверху на уровне Е. Ограничение снизу на уровне — Е дает схема, приведенная на рис. 4.20, б.

Рис. 4.20

Комбинируя рассмотрен­ные схемы, можно получить двусторонний ограничитель (рис. 4.20, в). До поступления входного напряжения диоды VD1 и VD2 заперты и u_вых = 0. Во время действия положи­тельной полуволны u_вх диод VD2 заперт и схема работает подобно схеме, изображенной на рис. 4.20, а, обеспечивая ограничение сверху на уровне Е₁. Во время действия отрица­тельной полуволны u_вх заперт диод VD1 и схема работает подобно схеме, изображенной на рис. 4.20, б, обеспечивая ограничение снизу на уровне — Е₂. Временные диаграммы, изображенные на рис. 4.20, со­ответствуют идеальному ди­оду: R_пр = 0, R_обр = ∞.

ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ

Усилители-ограничители выполняются на усилительных элементах и наряду с ограничением напряжения обеспечивают его усиление. Ограничение в таких устройствах осуществляется за счет использования нелинейных областей вольт-амперных характеристик усилительных элементов.

При формировании прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения эти ограничители могут обеспечивать большую амплитуду и более высокую крутизну фронтов, чем диодные при тех же входных напряжениях. Недостатком усилителей-ограничителей является большая сложность схемы.

Наличие областей насыщения и отсечки позволяет выполнить на транзисторе двусторонний усилитель-ограничитель (рис. 4.22, а). В такой схеме транзистор работает в режиме ключа, переходя из насыщенного состояния в запертое и обратно. При этом конденсатор С1 заряжается с полярностью, указанной на рис. 4.22, а, за счет того, что ток зарядки через насыщенный тран­зистор больше тока разрядки через R1, когда транзистор заперт. Диод VD дает возможность разделительному конденсатору на входе быстро разрядиться и тем самым предотвращает «сполза­ние» исходной рабочей точки.

Чтобы напряжение на выходе ограничителя было симметрич­но относительно оси времени, исходную рабочую точку А (рис. 4.22, б) на нагрузочной прямой выбирают так, чтобы изменения коллекторного тока до границы насыщения и до начала отсечки были одинаковы (I'_к = I''_к).

При нарастании отрицательной полуволны входного напря­жения рабочая точка перемещается вдоль нагрузочной прямой вверх, ток коллектора увеличивается, а напряжение на нем пада­ет. При некотором значении базового тока (на рис. 4.22, б этому соответствует ток /_Б = 160 мкА) наступает насыщение, при кото­ром изменение входного напряжения не вызывает изменения i_к и u_к

Уменьшение напряжения u_вх в тот же полупериод приводит к выходу транзистора из насыщения и возвращению рабочей точки

Рис. 4.22

в активную область. Теперь при изменении входного напряжения она движется по нагрузочной прямой вниз и при u_вх =0 сливается с точкой А.

Положительная полуволна входного напряжения уменьшает коллекторный ток; за счет этого увеличивается напряжение на коллекторе (рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой вниз). При некотором значении u_вх наступает режим отсечки, когда с дальнейшим увеличением напряжения на входе ток кол­лектора не будет меняться.

Напомним, что в режиме отсечки

а в режиме насыщения

Отметим, что тепловой режим транзистора в данном случае облегченный, так как мощность на коллекторе выделяется, по существу, только во время переключения; при работе в области насыщения напряжение на коллекторе незначительно, а в области отсечки незначителен коллекторный ток.