лекции / Лекция ограничители

Амплитудными ограничителями или просто ограничителями называются функциональные преобразователи, у которых вы­ходное напряжение по форме совпадает с входным до опре­деленного значения, называемого уровнем ограничения, а по достижении его остается неизменным. Различают ограниче­ние по максимуму («сверху»), по минимуму («снизу») и дву­стороннее (рис. 6.33, а — в).

Основными требованиями, предъявляемыми к ограничи­телям, являются стабильность положения точки излома пере­даточной характеристики, стабильность уровней ограничения и малые частотные искажения.

Различают ограничители на пассивных компонентах и усили­тели-ограничители.

Ограничители на пассивных компонентах выполняют с ис­пользованием диодов и стабилитронов. В зависимости от способа включения их подразделяют на схемы с последователь­ным и параллельным включением нелинейного элемента.

Ограничители с последовательным включением диода могут производить как ограничения снизу, сверху, так и двустороннее. Схемы ограничителей и временные диаграммы показаны на рис. 6.34. Работа цепей, ограничивающих сигналы, основана на нелинейности вольт-амперной характеристик диода. В от­крытом состоянии диод подключает нагрузку к источнику сигнала, а в закрытом - отключает ее. При открытом состо­янии диода выходное напряжение определяется коэффициентом передачи. Для схем одностороннего ограничения

K_np = Rн(R_H + R_0TK + Rи), (6.145)

где Rи и R_0JK внутреннее и прямое сопротивление источника сигнала и диода.

При R_0TK + R_и<<R_H К_пр1. В закрытом состоянии коэф­фициент передачи при Е_о = 0

K₀г_P = Rн/(R_H + Rи + R_зак), (6.146)

где R_зак — обратное сопротивление диода в закрытом состоянии.

Так, при R_зак»R_H, что обычно имеет место, К_огр  0.

Из выражений (6.145) и (6.146) видно, что для повышения коэффициента передачи необходимо, чтобы R_H>>Rи + R_OTK. Для получения меньшего напряжения в закрытом состоянии требу­ется выполнить условие R_H<<Rи + R_зак.

Изменяя значения напряжений смещения Е₀ можно менять уровень ограничения.

В ограничителях с параллельным включением диода (рис. 6.35) ограничение происходит в моменты времени, когда диод открыт. Все приращения входного напряжения, вызы­вающие изменения тока в цепи, падают на резисторе R_orp, который иногда называют балластным. Наличие R_orp обя­зательно для схем с включением нелинейного элемента парал­лельно с нагрузкой.

Если Rогр>>R_0TK, то при открытом диоде практически все приложенное напряжение падает на сопротивлении R_orp. Ко­эффициент передачи в области ограничения (при открытом диоде и E₀ = 0) определяют из уравнения

K_orp = Rнп_p/(Rи + R_orp + Rнпр), (6.147)

где Rнпр = Rн || R_0TK; Rн — сопротивление нагрузки.

При закрытом диоде коэффициент передачи ограничителя равен

Kпр = Rнобр/(Rи+Rнобр + Rогр), (6-148)

где R_нобр = R_н || R_зак.

Часто с достаточной точностью можно считать, что

R_нобр = R_н.

Чтобы приблизить коэффициент передачи в режиме огра­ничения к нулю, а в режиме пропускания — к единице, параметры элементов ограничителя необходимо выбирать из условий R_H>>R_0TK; R_H>>R_u + R_orp.

Уровень ограничения изменяется в зависимости от значения и полярности опорного напряжения Е₀.

Схемы ограничителей напряжения со стабилитронами при­ведены на рис. 6.36, а и 6.37, а — в. В них без введения дополнительных источников опорного напряжения Е₀ можно обеспечить ограничение на уровне напряжения стабилизации стабилитрона U_CT. Для получения одностороннего ограничения последовательно со стабилитроном включают диод. Для той полуволны, которая ограничивается, диод включен в прямом направлении, а стабилитрон — в обратном. Режим пробоя стабилитрона возникает при достижении входным сигналом значения U_CT. Для другой полуволны диод включен в обратном направлении. Он не пропускает входной сигнал, и ограничитель не влияет на напряжение выходной цепи. Соответствующим включением стабилитрона и диода можно получить ограниче­ние по максимуму (рис. 6.36 а), по минимуму (рис. 6.36, б) и двустороннее (рис. 6.36, в). Так как в режиме стабилизации (пробоя) дифференциальное сопротивление стабилитрона не­велико (доли Ом — несколько Ом), то приведенные схемы

обеспечивают стабильный уровень ограничения напряжения. Он мало меняется при существенных изменениях температуры окружающей среды. В области повышенных частот на форму выходного сигнала оказывает влияние барьерная емкость стабилитрона, из-за которой излом характеристики оказывается не таким резким, как это следует из его вольт-амперной характеристики для постоянного тока. Поэтому при создании ограничителей коротких сигналов следует применять стабилит­роны со сниженной барьерной емкостью, например 2С175Е, КС182Е, 2С211Е. Для двустороннего ограничения целесообраз­но использовать двуханодные стабилитроны, например 2С170А, 2С182А, для которых нормирована асимметрия напряжений стабилизации.

При последовательном включении стабилитронов их пробой наступает только при напряжении Uст. С момента пробоя выходной сигнал практически повторяет входной ввиду малого сопротивления пробитого стабилитрона и диода, включенного в прямом направлении. Данные схемы целесообразно приме­нять тогда, когда требуется пропустить сигналы уровня меньше (рис. 6.37, а, г) и больше U_CT (рис. 6.37, б, д), меньше и больше U_CT (рис. 6.37, в, е). Как у ограничителей с диодами, уровни ограничения можно изменять с помощью дополнительных постоянных напряжений.

При работе на высоких частотах или при воздействии коротких импульсов характеристики ограничителей отличаются от тех, которые они имеют в статическом режиме. Это происходит из-за влияния барьерных емкостей и переходных процессов в диодах, что необходимо учитывать при создании быстродействующих устройств.

В ряде случаев импульс входного сигнала подают на ограничитель через разделительный конденсатор, наличие ко­торого может вызвать изменение уровня ограничения. Это обусловлено тем, что во время действия сигнала в конденсаторе накапливается электрический заряд, а во время паузы заряд уменьшается. Введение в схему диода с ярко выраженными нелинейными свойствами приводит к тому, что за время паузы рассеивается только часть накопленной энергии. В ре­зультате на конденсаторе появляется постоянное напряжение, которое часто называют динамическим смещением.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим работу ограничи­теля, приведенного на рис. 6.37, ж, при подаче на его вход синусоидального напряжения.

Если бы диода не было, постоянная составляющая напряже­ния на конденсаторе была бы равна нулю, так как энергия, накопленная за время одного полупериода, рассеивалась бы за время другого.

Введение диода приводит к тому, что скорости разрядки и зарядки конденсатора будут разными. Зарядка конденсатора происходит в ту часть периода входного сигнала, когда диод открыт. Постоянная времени зарядки

Во время разрядки диод закрыт и постоянная времени цепи разрядки

р = RcС. (6.150)

Таким образом, _р>₃ и, следовательно, при симметричной форме входного сигнала на конденсаторе С появится посто­янная составляющая напряжения Uсо (рис. 6.37, з, и). Значение этой составляющей таково, что увеличение заряда на обкладках конденсатора за время зарядки равно уменьшению заряда за время разрядки. Смещение рабочей точки ограничителя вследствие зарядки конденсатора до значения U_co применяют для поддержания уровня выходного напряжения, равного заданному постоянного значению. Цепи подобного назначения носят название фиксаторов уровня.

Когда резистор Rогр замкнут накоротко, получается цепь фиксации на нулевом уровне. Если на вход такой цепи поступают двухполярные импульсы сложной формы, то кон­денсатор С заряжается до уровня U_co=U_m1. В результате выходное напряжение смещено относительно входного при­близительно на U_m1. При правильном подборе элементов выходной сигнал будет однополярным.

При необходимости зафиксировать напряжение на другом уровне последовательно с диодом включают источник Е₀, значение напряжения и полярность которого определяют уровень фиксации выходного напряжения.

Фиксаторы уровня широко применяются в устройствах, где требуется восстановление постоянной составляющей вход­ного сигнала, потерянной вследствие его прохождения через RС-цепи.

Рассмотренные простейшие ограничители на диодах имеют ряд существенных недостатков, которые ограничивают область их применения в точных устройствах измерительной техники и автоматики. К ним относятся: 1) температурная нестабиль­ность уровня ограничения из-за изменения контактной разности потенциалов у p-n-перехода диода; 2) трудности ограничения уровней малых или соизмеримых с контактной разностью потенциалов диода сигналов; 3) разные уровни ограничения у ограничителей на диодах одного и того же типа; 4) колебания уровня ограничения в зависимости от входного сигнала из-за конечного значения прямого сопротивления диода, которое к тому же определяется током, протекающим через него.

Применение усилителей, в частности ОУ, позволяет сущест­венно улучшить основные характеристики ограничительных устройств.

Используется значительное количество различных схем включения ОУ. Однако все они основаны на едином прин­ципе— введении нелинейных элементов (диодов, транзисторов или стабилитронов) в цепь обратной связи. Рассмотрим несколько вариантов схем построения ограничителей на ОУ.

На рис. 6.38, а показан ограничитель с резистивным дели­телем в цепи обратной связи, в котором нелинейный элемент (диод) включен в цепь параллельной обратной связи. Этот диод открывается в тот момент времени, когда напряжение на нем превысит контактную разность потенциалов U_K. Пока диод закрыт, коэффициент передачи ограничителя определяют из уравнения

После отпирания диода коэффициент передачи становится равным

причем К₂<К1.

где Uвых_l = -Uвх₁R₂/R1. Отсюда

Найдем выходное напряжение U_вых1, при котором диод откроется. Если считать контактную разность потенциалов диода постоянной и равной U_K, а коэффициент усиления ОУ — достаточно высоким, так что разность потенциалов между его входами близка к нулю, то выходное напряжение, при котором диод откроется, находится из уравнения

Изменяя значение постоянного напряжения U1 задают уровень ограничения.

Характеристика данного ограничителя показана на рис. 6.38, о. Из нее видно, что выходное напряжение продолжает изменяться при увеличении входного, только скорость этого изменения существенно уменьшается. Для улучшения харак­теристики ограничителя следует обеспечить выполнение условия R₃<<R₂. В этом случае коэффициент передачи, характеризуемый углом наклона характеристики ограничителя, по достижении выходным напряжением значения U_вых стремится к нулю и характеристика на этом участке идет горизонтально.

Таким образом, условие удовлетворительной работы огра­ничителя можно записать в виде

R2»Rотк + Rз, (6.155)

где Rотк — сопротивление диода в открытом состоянии.

Включая вместо диода биполярный транзистор, существенно улучшают характеристику ограничителя и обеспечивают не­изменный уровень выходного напряжения при больших из­менениях входного сигнала (рис. 6.38, в, г). Преимущество такой замены заключается в том, что при этом происходит уменьшение (приблизительно в h_21э раз) тока, протекающего через резистор R₃, и соответственно уменьшение изменения выходного напряжения, которое обеспечивает этот ток. Дей­ствительно, в схеме рис. 6.38, а приращение входного на­пряжения U_m вызывает приращение тока, протекающего через резистор R1,

i1Uвх/R1. (6.156)

Этот ток вызовет приращение выходного напряжения:

Uвых=-i₁[R₂ || (Rотк + R3)] (6.157)

При включении в цепь ОС биполярного транзистора, у которого переход база —эмиттер полностью идентичен диоду, приращение тока эмиттера i_э=iэ₁, а соответственно ток базы i_э = (1 +h^*₂₁э) iб- Отсюда следует, что ток резистора уменьшился в l+h*21э раз и при одинаковых приращениях входного сигнала выходное напряжение изменяется в 1+h*21э раз меньше, чем в ограничителе на рис. 6.38, а.

При создании прецизионных ограничителей применяют схемы рис. 6.39, а, в, д. В схеме рис. 6.39, а обеспечивается симметричное ограничение напряжения с малым значением его несимметрии. Это обеспечивается благодаря использованию для обеих полуволн одного стабилитрона VD5. Для уменьшения влияния емкости стабилитрона и увеличения температурной стабильности уровня ограничения стабилитрон непрерывно открыт напряжениями Е₀, —Е₀ и представляет собой источник постоянного стабильного напряжения U_CT. Диоды VD1, VD4 или VD2, VD3 открываются в том случае, когда выходное напряжение достигает значения U_CT + 2U_K. Вследствие малого сопротивления открытых диодов и стабилитрона выходное напряжение фиксируется на уровне ограничения. При малом температурном коэффициенте стабилизации напряжения стабилитрона температурный дрейф уровня ограничения около—5 мВ/град. Кроме того, по­стоянное напряжение на стабилитроне обеспечивает выигрыш в быстродействии, так как не затрачивается время на перезарядку емкостей стабилитрона. Соответственно су­щественно расширяется рабочая полоса частот (при по­грешности 1% она достигает 300 кГц).

Прецизионный ограничитель рис. 6.39, в имеет амплитудную характеристику, показанную на рис. 6.39, г. У него при отрицательной полярности входного напряжения открыт диод VD1. Выходное напряжение ОУ U_выхоу= — UвхRотк/R₁. Входное напряжение ОУ, которое является выходным для ограничителя, меньше U_вых в К_уи раз [U_вых = U_BXR_OTK/(KyuR1) ] и стремится к нулю. При закрытом VD1 и открытом VD2 диодах выходное напряжение U_вых = - U_BXR₂ /R1.

Уровень ограничения можно смещать подавая на инвер­тирующий вход дополнительное напряжение от источника питания (пунктир).

С целью увеличения точности уровня ограничения можно использовать схему рис. 6.39, д. В ней R₄>>R₃ и усилитель DA2 работает практически как пороговое устройство. Если входное напряжение ОУ DA2 меньше значения порога, опре­деляемого напряжением U_on, то усилитель находится в огра­ничении по отрицательной полярности. При этом диод VD заперт и ограничения сигнала не происходит. Как только U_вых приблизится к пороговому значению, ОУ DA2 выйдет из области насыщения. При положительном значении его выходного напряжения диод отопрется и зафиксируется уровень выходного напряжения. В этом случае стабильность уровня ограничения чрезвычайно высокая и зависит в основном от стабильности U_oп и коэффициента усиления ОУ DA2, который работает в режиме компаратора напряжения. Конденсатор С приходится вводить для предотвращения самовозбуждения, которое может возникнуть вследствие большого петлевого усиления.

Ограничители широко применяются для защиты элект­ронных цепей и при преобразованиях измерительных сигналов.

4