19.5. Ограничители электрических сигналов

Четырехполюсник, на выходе которого напряжение u_вых(t) остается практически неизменным и равным U₀, в то время как входное напряжение u_вх(t) может превышать или быть ниже какого-то наперед заданного напряжения Е, называется ограничителем.

Еслиu_вх(t) > Е, то ограничение происходит сверху (рис. 19.19). Если u_вх(t) < E', то ограничение происходит снизу (рис. 19.20). Если E < u_вх(t) < E', то ограничение двустороннее (рис. 19.21). Если входной сигнал не превосходит по амплитуде пороговых уровней, то он должен воспроизводиться без искажений. Таким образом, ограничитель является нелинейным четырехполюсником, который в идеальном случае имеет идеально ломаные амплитудные характеристики и_вых(t) = f[u_вx(t)]. В ка­честве нелинейных элементов в ограничителях в основном применяют полупроводниковые диоды.

Рассмотрим ограничители на полупроводниковых диодах. В зависи­мости от способа включения диода различают последовательные (рис. 19.22, а, б) и параллельные (рис. 19.23, а, б) схемы ограничения электрических сигналов. На рис. 19.22 приведены также их времен­ные диаграммы напряжений. Когда напряжение на аноде диода отри­цательно, диод заперт и выходное напряжение u_вых(t) ≈ Е, так как об­ратное сопротивление диода R_обр значительно больше сопротивления нагрузки R. ЕслиU_д > 0, то диод открыт и при условии, что прямое сопротивление диода R_д << R, напряжение на выходе почти равно входному. Следовательно, порог ограничения сигнала определен равенством нулю напряжения на диоде.

Если изменять значение и полярность напряжения источника по­стоянного напряжения Е, то можно в довольно широких пределах изменять уровень ограничения. Положим, что прямое сопротивление диодаR_д мало зависит от температуры окружающей среды и постоян­но, тогда для последовательного ограничителя справедливо следующее равенство:

(19.13)

Чем больше неравенство R >> R_д, тем точнее напряжение на выходе повторяет входное напряжение. Ограничением в выборе R яв­ляется появление при высоких частотах паразитной емкости на выходе схемы (точки 2-2') емкости диода С_д и, как следствие, искажение формы импульса. Паразитные емкости (возможность их существования) показаны пунктиром на схемах рис. 19.22, а, б.

Диод выбирают, исходя из требований к обратному напряжению, значениям прямого тока и емкости С_д.

Схемы параллельных ограничителей и их временные диаграммы приведены на рис. 19.23, а, б. При открытом диоде выходное напряжение u_вых(t) мало отличается от Е, если попрежнему выполняется условие R_д << R₀, где R₀ — сопротивление, ограничивающее ток в цепи при открытом диоде. Для схемы рис. 19.23, а справедливо следующее выражение:

(19.14)

При R_д/R₀ << 1 можно считать, что напряжение на выходе u_вых = E.

При запертом диоде выходное напряжение почти повторяет входное, так как R_o6p >> R₀. Как и в последовательной схеме, уровень огра­ничения в параллельном диодном ограничителе определяется напряже­нием Е.

В параллельных ограничителях, схемы которых подобны представлен­ным на рис. 19.23, а, б, также проявляются паразитные емкости С₀ (пунктир на рисунке), особенно на высоких частотах. Поэтому для сокращения длительности фронта импульса следует значение ограничи­вающего сопротивления R₀ выбирать не слишком большим.

Отметим, что параллельный ограничитель на диоде обеспечивает худшую по сравнению с последовательным ограничителем четкость ограничителя, так как в параллельной схеме четкость ограничения определяется отношением R_д/R₀, а в последовательной — отношением R_oбp/R. Однако R_обр > R и неравенство R_обр >> R реализуется на практике легче, чем R_д << R₀. К недостаткам параллельных ограничителей отно­сится и то, что в этом случае источник Е должен иметь малое соб­ственное внутреннее сопротивление.

Схема рис. 19.23,б тоже имеет недостаток: на высоких частотах и при крутых перепадах напряжения дифференциальная емкость р-n-пере-хода создает в режиме ограничения (диод заперт) паразитную связь между входом и выходом.

Двустороннее ограничение напряжения рассмотрим на примере применения операционного усилителя в качестве активного ограничи­вающего прибора. Схемное решение приведено на рис. 19.24, а, а времен­ные диаграммы — на рис. 19.24, б. Ограничение напряжения происходит следующим образом: до тех пор, пока выходное напряжение u_выx(t) по абсолютному значению не превысит сумму напряжения стабили­зации u_ст одного из стабилитронов, например Д₂ (на временной диаграм­ме U_ст2) и прямого падения напряжения на другом стабилитроне Д₁ (u_пр1), устройство работает как обычный инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления по входу, равным отношению R₂/R₁. Если же наступает неравенство u_вых(t) > u_ст2 + u_пр1, стабилитрон Д₂ пробьется и напряжение будет ограничено на уровнях u_прl и u_ст2.