4.5 Амплитудные ограничители

Ограничитель должен иметь нелинейную сквозную характеристику, показанную на рис. 23-а. Начиная с некоторого значения входного сигнала, выходное напряжение сохраняет неизменное значение при дальнейшем увеличении входного сигнала.

а) б)

Рисунок 23 – Сквозная характеристика ограничителя – а), схема – б).

В схеме на рис. 23-б выходное напряжение ограничивается стабилитронами на уровне ± (U_ст + 0,7) В, где U_ст – напряжение стабилизации стабилитрона; 0,7 В – падение напряжения на стабилитроне, смещённом в прямом напрвлении.

При малом входном сигнале, пока стабилитрон ещё не открыт схема работает как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления

Кu = – R₂ /R₁ . С возрастанием сигнала открывается стабилитрон, его сопротивление резко уменьшается и шунтирует резистор R2, это вызывает снижение коэффициента усиления, выходной сигнал не увеличивается. Если вместо одного из стабилитронов поставить диод, получим односторонний ограничитель.

Ограничители применяются в измерительных устройствах для ограничения амплитуды сигналов, содержащих передаваемую информацию в виде частоты, например частотно-модулированный (ЧМ) сигнал. Для демодуляции (детектирования) ЧМ-сигнала полезно ограничить его амплитуду, чтобы помехи в виде изменений амплитуды, – паразитная амплитудная модуляция, не влияла на работу частотного детектора.

5 Лекция

Цель: аналоговое умножение и деление сигналов с помощью схем на ОУ, сравнение двух сигналов между собой, преобразование сигналов в последовательность импульсов, модулированных по длительности.

Содержание: построение множительных устройств, использующих изменение крутизны характеристики транзисторов, построение схем, выдающих результат деления одного сигнала на другой; построение схем сравнения сигналов – компараторов; широтно-импульсный молулятор на интеграторе и компараторе.

5.1 Схемы умножения

Множительные устройства широкоприменяются в узлах электронной аппаратуры. Известны несколько способов построения множительных схем, мы познакомимся с методом переменной крутизны, используемом в современных множительных микросхемах.

Метод переменной крутизны отдичается схемной простотой, но требует наличия согласованных по характеристикам пар транзисторов. Ядром схемы умножения является согласованная транзисторная пара Т1 – Т2 на рис. 24.

Рисунок 24 – Схема перемножения двух сигналов

Схема на ОУ1 представляет собой неинвертирующий усилитель с токовым выходом (стабилизатор тока), работа которого описана во второй лекции. Выходной ток ОУ1 определяется входным напряжением U_ВХ1 и не зависит от изменений нагрузки. Нагрузкой стабилизатора тока является дифференциальный усилитель на транзисторах Т1 и Т2. На базу транзистора Т1 подаётся напряжение U_ВХ2 , которое нужно умножить на напряжение U_ВХ1. База транзистора Т2 заземлена и когда U_ВХ2 = 0, ток с выхода ОУ1 распределяется поровну между транзисторами Т1 и Т2. При этом их коллекторные токи равны между собой, равны и их коллекторные напряжения. Следовательно, симметричное выходное напряжение дифференциального усилителя равно нулю.

При равенстве нулю входного напряжения U_ВХ1 отсутствует выходной ток ОУ1, следовательно отсутствуют и коллекторные токи транзисторов Т1 и Т2, при этом напряжения на их коллекторах равны между собой, а их значения близки к напряжению питания +Е_П . И в этом случае симметричное выходное напряжение дифференциального усилителя равно нулю, т.е. при равенстве нулю любого из сомножителей их произведение тоже равно нулю. Операционный усилитель ОУ2 служит для преобразования симметричного выходного сигнала дифференциального каскада в несимметричное выходное напряжение схемы умножителя U_ВЫХ .

Таким образом выходной сигнал умножителя зависит от произведения двух входных сигналов U_ВХ1 и U_ВХ2

U_ВЫХ = К U_ВХ1 U_ВХ2 , (5.1)

где К – коэффициент пропорциональности.

Нетрудно заметить, что для данной схемы оба входных сигнала должны быть одной, а именно положительной полярности, такая схема умножения называется одноквадрантной.

В настоящее время разработаны схемы перемножения, в которых заданы начальные смещения баз транзисторов дифференциального усилителя и входного каскада ОУ1, это даёт возможность подавать на входы сигналы обеих полярностей. Такие схемы умножителей являются четырёхквадрантными, разумеется все узлы схемы компануют в виде функционально законченного устройства внутри одного чипа, например микросхема К525ПС2.

При подаче входного сигнала на оба входа схемы умножения можно получить устройство возведения в квадрат (квадратор).

Умножители используют не только по прямому назначению, но также и для осуществления других операций, которые описываются выражениями в виде произведения двух сигналов, например при амплитудной модуляции.

5.2 Аналоговые делители

Деление – действие, обратное умножению. Как известно, выходное напряжение операционного усилителя при инверсном включении – это падение напряжения на сопротивлении обратной связи от протекания входного тока, взятое с обратным знаком. В более широком смысле можно выразиться так: передаточная функция схемы с инверсным включением ОУ обратна передаточной функции цепи обратной связи. Вспомним, в петле обратной связи простого усилителя стоит делитель напряжения на резисторах R_ОС и R_ВХ (см. лекцию 2). Эти резисторы превращают схему в усилитель напряжения, в котором отношение этих двух резисторов опрелеляет константу усиления К_U = - (R_ОС / R_ВХ).

Аналогично можно получить схему деления двух сигналов, если в петлю обратной связи поместить ананлоговый умножитель. На рис. 25 показан

пример простого аналогового делителя на основе умножителя. Согласно (5.1)

выходной сигнал умножителя

U¹ = К U_ВЫХ U_ВХ2 . (5.2)

Как было показано в лекции 2, согласно закону Кирхгофа, токи I₁ и I₂

должны быть равны между собой. Следовательно, можно записать

I₁ = U_ВХ1 / R₁ , (5.3а)

I₂ = U¹ / R₂ . (5.3б)

Резисторы R₁ и R₂ одинаковы

R₁ = R₂ = R, следовательно,

I₁ = I₂ . (5.3в)

Из этого вытекает, что

U_ВХ1 / R = U¹ / R₂ .

Тогда

Рисунок 25 – Схема деления U_ВХ1 = U¹. (5.3д)

двух сигналов

Подставив выражение (5.2) в (5.3д) получим U_ВХ1 = К U_ВХ2 U_ВЫХ , из чего следует

U_ВЫХ = U_ВХ1 / К U_ВХ2 . (5.4)

Таким образом мы доказали, что аналоговый умножитель может работать как делитель, если его поместить в цепь обратной связи ОУ.

Существуют наборы функциональных модулей, к примеру выпускаемых фирмой Burr-Broun, с общей передаточной функцией вида

U_ВЫХ = U_ВХ1 (U_ВХ2 / U_ВХ3) ^m,

где m – показатель степени (0,2 5), величина которого устанавливается с помощью внешних (навесных) резисторов. В зависимости от способа подключения внешних выводов микросхема реализует следующие аналоговые функции: умножение, деление, возведение в квадрат, возведение в степень, корни различных степеней, синус, косинус, арктангенс, векторное суммирование.