2.4.5. Использование диодных структур для реализации типовых и произвольных нелинейных зависимостей

Для реализации типовых нелинейных зависимостей выходного напряжения от входного используют специализированные нелинейные функциональные преобразователи различных типов и назначений.

В качестве первого примера рассмотрим работу схемы с потенциально-заземленннами диодами рассмотрим на примере схемы, представленной на рис. 2.39а.

В исходном состоянии при нулевом сигнале диод VD₁ закрыт небольшим отрицательным напряжением е₁, равным падению напряжения на открытом диоде VD₂. При увеличении входного напряжения напряжение в точке е₁ изменяется в соответствии с выражением

.

При е₁=0 диод VD₁ открывается тогда

,

где Е_П – напряжение переключения (излома).

Пренебрегая малой величиной r_д, получаем

.

При дальнейшем увеличении U_вх выходное напряжение меняется по линейному закону.

U_вх

U_вх

Рис. 2.39. Варианты схем реализаций типовых нелинейных зависимостей

Рис. 2.39. Схема реализации кусочно-линейной зависимости с потенциально заземленными диодами в обратной связи

Если в схеме выполняется соотношение , относительная погрешность такого диодного элемента может быть определена как

.

На практике эта погрешность находится в пределах 0.1 %.

На рис. 2.39б, в, г показаны схемы, реализующие нелинейные характеристики в трех остальных квадрантах. Потенциально-заземленные диоды могут включаться и в цепи обратной связи, при этом они будут работать на запирание. Пример такой схемы приведен на рис.2.39д. При нулевом входном напряжении все диоды VD₁…VD_n открыты. Общее сопротивление обратной связи определяется параллельно включенными сопротивлениями R₀...R_n. По мере увеличения U_вх диоды поочередно закрываются, сопротивление обратной связи начинает увеличиваться, что в свою очередь будет увеличивать коэффициент передачи усилителя и обеспечивать реализацию кусочно-линейной зависимости выходного напряжения от входного. Крутизна каждого из участков будет определяться соответствующими резисторами-делителями.

Пример схемы с диодами, работающими по типу ограничителей, приведен на рис.2.40а. В исходном состоянии (U_вх=0) диод открыт. Напряжение на выходе изменяется по закону . При входном напряжении диод VD запирается, отключая U_вх от усилителя. Здесь диод работает на запирание.

Рис. 2.40. Односторонние диодные ограничители

В другом варианте схемы (рис.2.40б) диод VD работает на отпирание. Здесь при U_вх=0 диод закрыт положительным Е_оп. До открытия диода . Как только напряжение на аноде диода, определяемое выражением , станет равным Е_оп, диод откроется и зафиксирует в точке делителя потенциал Е_оп, не зависящий от дальнейшего нарастания U_вх. При этом U_вых=-E_оп(R₀/R₂).

В практике использования аналоговых функциональных преобразователей к схемам типовых нелинейностей относят обычно схемы, воспроизводящие ограничение координат по модулю (характеристика ограничения), характеристики зоны нечувствительности, вычисление модуля и т.д.

На рис.2.41а показана схема, воспроизводящая характеристики ограничения. При нулевом входном напряжении диоды VD1 и VD2 закрыты небольшими напряжениями открытых диодов VD3 и VD4. При увеличении входного напряжения напряжение на выходе меняется по линейному закону . Через диод VD3 протекает разность токов i=i₁-i₂- При i=0 диод VD4 закроется и на диоде установится напряжение

.

Переключение диода VD3 осуществляется, когда U_вх=E_п при U_d=0. При дальнейшем увеличении U_вх коэффициент усиления резко падает из-за уменьшения сопротивления обратной связи за счет параллельного включения R₀ и R₂ и рост выходного сигнала ограничивается.

При этом величину E_п можно определить из последней формулы по условию U_д=0

.

Остаточный угол γ определяется отношением R₂/R. Чтобы уменьшить этот угол нужно, чтобы R>>R₂.

Схему, воспроизводящую зону нечувствительности, можно получить, поставив диодную схему на входе ОУ. Другие схемы воспроизведения типовых нелинейностей можно найти в соответствующей литературе.

С помощью рассмотренных звеньев можно реализовать различные функциональные зависимости. Рассмотрим методы реализации таких схем. Пусть требуется реализовать кривую ОАВС, показанную на рис.2.41б. Представим эту кривую в виде трех лучей 1, 2 и 3. Тогда кривая ОАВС может быть получена сумматором на операционном усилителе, а отдельные лучи можно получить схемами типа изображенных на рис. 2.39, рассчитав соответствующие коэффициенты передачи и напряжения переключения диодов.

Рис. 2.41. Реализация схемы двухстороннего ограничения (а) и заданной кусочно-линейной зависимости (б)