Проектирование импульсных устройств радиотехнических систем. В 2 частях. Ч.1. Учебное пособие

3. Ограничители амплитуды импульсов

тельный скачок напряжения амплитудой Um вх E1 + E0 , диод снова открыт,

и на выходе в момент t2 имеет место скачок напряжения . Затем через открытый диод с постоянной τ2 конденсатор С0 вновь заряжается и достигает исходного уровня Е1 через время 3 2 (τ2 = С0Rпр).

Так как τ2 меньше τ1, то это происходит быстрее, чем на переднем фронте.

Этот переходный процесс имеет место в том случае, если к моменту t1 – диод открыт, но не насыщен, когда Uвх незначительно превышает напряжения запирания диода. Если это не так, то диод насыщен, в его базовой области накоплено большое количество неосновных носителей. К моменту t1, когда наступает отрицательный перепад напряжения, диод неуправляем и не может запереться, пока не рассосутся неосновные носители, и при подаче –Е0 емкость С0 стремится перезарядиться до этого уровня. По окончанию tрас (момент t3) этот процесс прекращается, так как диод снова управляем, к нему приложено отрицательное напряжение, он запирается, емкость С0 через R с постоянной времени τ1 разряжается до нуля через 3τ1. На заднем фронте при положительном перепаде по-прежнему имеет место скачок и последующий заряд С0 до уровня Е1 с постоянной времени τ2.

Правильный подбор степени насыщения диода позволяет минимизировать длительность переднего фронта, когда за время рассасывания tрас напряжение на С0 достигает 0 и не переходит в отрицательную область [6]. В этом случае длительность переднего фронта равна времени рассасывания tф = tрас, как показано на рис. 73.

Рис. 73. Временная диаграмма напряжения Uвых(t) последовательного диодного ограничителя снизу при малой степени насыщения диода

91

3.Ограничители амплитуды импульсов

3.1.Параллельные диодные ограничители

Схема и временные диаграммы входного Uвых(t) и выходного Uвх(t) напряжений параллельного диодного ограничителя сверху приведены на рис. 74 [7].

Рис. 74. Электрическая схема и временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений параллельного диодного ограничителя амплитуды сигнала сверху

При поступлении на вход схемы (см. рис. 74) напряжения Uвх(t) < Е выходной сигнал формируется при запертом диоде, так как Uд = (Uвх – Е) < 0, т.е. реализуется режим пропускания. Если Uвх(t) > Е, Uд > 0, диод открыт, и реализуется режим ограничения.

Схема и временные диаграммы входного Uвых(t) и выходного Uвх(t) напряжений параллельного диодного ограничителя снизу приведены на рис. 75. При Uвх(t) > Е напряжение на диоде Uд = (Е – Uвх) < 0, и диод заперт, при этом реализуется режим пропускания. Если Uвх(t) < Е, Uд = (Е – Uвх) > 0, диод открыт, и реализуется режим ограничения.

Отметим, что реализация режимов ограничения сверху или снизу определяется различным направлением включения диода, а уровень ограничения определяется значением и полярностью напряжения Е.

92

3.1. Параллельные диодные ограничители

Рис. 75. Электрическая схема и временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений параллельного диодного ограничителя амплитуды сигнала снизу

Рассмотрим коэффициенты передачи ограничителя в режимах пропускания и ограничения.

В режиме пропускания Uвх меньше Е, диод заперт, и его сопротивление Rобр значительно превышает RН. Коэффициент пропускания определим как [7]

Кпр стремится к 1 при Rн >> R0.

В режиме ограничения Uвх больше Е, диод открыт и его сопротивление Rпр в открытом состоянии мало. Коэффициент передачи в режиме ограничения есть

93

3. Ограничители амплитуды импульсов

Врежиме ограничения идеальным значением Когр является Когр = 0, что выполнимо при R0 >>Rпр.

Рассмотренные выше требования к Rн, R0, Rобр и Rпр не всегда выполнимы, так как, с одной стороны, Rпр должно быть значительно меньше Rобр,

сдругой стороны, Rн значительно больше R0, особенно если Rн мало. Эти противоречивые требования трудно выполнить. Поэтому при малых Rн, Кпр отличен от единицы, а Когр отличен от нуля.

Врежиме ограничения абсолютное значение напряжения немного больше Е, в режиме пропускания амплитуда Uвых(t) меньше Uвх(t) (рис. 76) [7].

Рис. 76. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений параллельного диодного ограничителя амплитуды сигнала сверху при Кпр < 1, а Когр > 0

Переходные процессы в параллельном диодном ограничителе сверху рассмотрим при уровне ограничения, равном нулю.

Учтем, что параллельно Rн включена емкость С0, состоящая из емкости диода Сд, емкости монтажа СМ и емкости нагрузки СН, С0 = Сд + СМ + СН.

Эквивалентная схема ограничителя приведена на рис. 77.

На рис. 77 изображены временные зависимости входного и выходного напряжений параллельного диодного ограничителя. При подаче на вход положительного напряжения Е на временном интервале 0 < t < t1 диод

94

3.1. Параллельные диодные ограничители

Рис. 77. Эквивалентная электрическая схема диодного ограничителя сверху при нулевом уровне ограничения

В момент t1 подается отрицательный перепад напряжения, диод (если он не насыщен) запирается, и емкость С0 с постоянной времени

напряжение на С0, а следовательно, и на выходе достигнет установившего-

Если к моменту времени t1 диод запереться не может, так как до этого он был открыт и насыщен, то требуется некоторое время, которое называется временем рассасывания tр, по истечению которого диод становится управляемым и запирается под воздействием отрицательного напряжения. Его сопротивление с момента запирания tз становится очень большим Rобр. Емкость С0 начинает заряжаться через RH и R0 с постоянной времени τ1 до

насыщения открытого диода формируется с задержкой tр относительно t1

(tр = t3 – t1).

В момент t2 подается скачок положительного напряжения размахом

E0 + E1 RH , и С0 начинает перезаряжаться с той же постоянной времени,

R0 + RH

95

Таким образом, длительности переднего и заднего фронтов разные:

96

3.2.Двусторонние диодные ограничители

3.2.Двусторонние диодные ограничители

Двусторонние параллельные диодные ограничители представляют собой соединение односторонних ограничителей [3]. На рис. 79 приведена принципиальная электрическая схема двухстороннего диодного параллельного ограничителя и временные диаграммы Uвх(t) и Uвых(t).

При Uвх(t) > E диод VD2 заперт, а VD1 – открыт, и на выходе схемы Uвых(t) = Е1. При – E2 < Uвх(t) < E заперты оба диода, и напряжение на выходе схемы при R0 << RH повторяет напряжение Uвх(t). Если Uвх(t) < – E2, диод VD1 заперт, а VD2 –открыт, и напряжение Uвых(t) = – Е2.

U(t)

UВх(t)

E1

UВых(t)

–E2

Е1 – порог ограничения сверху Е2 – порог ограничения снизу

Рис. 79. Электрическая схема и временные диаграммы входного и выходного напряжений двухстороннего параллельного диодного ограничителя

Таким образом, в параллельных ограничителях, двусторонних и односторонних, длительности фронтов прямо пропорциональны величине паразитной емкости С0, которую следует уменьшать.

Длительности фронтов прямо пропорциональны величине параллельно соединенных резисторов R0 и Rн. При этом R0 должно быть как можно меньше Rн и гораздо больше Rпр. В результате сколько угодно ма-

97

3. Ограничители амплитуды импульсов

лым R0 мы сделать не можем, что ограничивает возможности сокращения длительностей переднего и заднего фронтов выходных импульсов.

В результате все эти ограничения приводят к тому, что и качество ограничения, и качество переходного процесса в параллельном диодном ограничении ниже, чем в последовательном.

3.3. Последовательные двусторонние диодные ограничители

На рис. 80 приведена схема последовательного двустороннего диодного ограничителя [3].

Рис. 80. Электрическая схема последовательного двустороннего диодного ограничителя

Положим Е2 > Е1, следовательно, при Uвх ≤ 0 диод VD2 открыт и через резисторы R1 и R2 протекают токи i1 и i2:

Оба эти тока создают падение напряжения на резисторе R2. i1R2 и i2R2, тогда Uвых=U1=Е2 + i1R2 – i2R2.

Это напряжение U1 является нижним порогом ограничения.

Если диод VD2 открыт, а диод VD1 заперт, то это же напряжение U1 присутствует в точке α.

Если Uвх меньше U1, диод VD1 заперт и на выходе Uвых(t) = U1.

При Uвх > U1, а Uвх < Е2, оба диода открыты и Uвх(t) проходит на выход, при этом Uвых(t) = Uвх(t).

При Uвх > Е2, диод VD1 открыт, а диод VD2 закрывается и на

Uвых(t) = Е2 (рис. 81).

98

Рис. 81. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений в схеме (см. рис. 79)

Как видно из временной диаграммы на рис. 81, нижним порогом ограничения является U1, а верхним – Е2.

Если Е1 сделать отрицательным и |E1|R2 > E2R1, то нижний порог U1 станет отрицательным (рис. 82).

U1

UВх

Рис. 82. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений двухстороннего стабилитронного параллельного ограничителя при выполнении условия |E1|R2 > E2R1

3.4. Использование стабилитронов в диодных ограничителях

Рассмотрим возможность построения параллельных диодных ограничителей со стабилитронами. В них без введения дополнительных источников опорного напряжения можно обеспечить ограничение на уровне напряжения стабилизации стабилитрона. На рис. 83 приведены принципиальная электрическая схема и амплитудная характеристика параллельного диодного ограничителя сверху [3].

При подаче на вход схемы напряжения Uвх(t) меньше напряжения стабилизации Uст стабилитрона VD2 диод VD1 открыт, а стабилитрон VD2

заперт и Uвых(t) Uвх(t).

99

Рис. 83. Электрическая схема и амплитудная характеристика параллельного диодно-стабилитронного ограничителя сверху

Как только Uвх(t) достигнет уровня Uст, стабилитрон VD2 пробивается (открывается), и на нем фиксируется падение напряжения Uст. Поскольку при этом открыт также диод VD1, то напряжение Uст является выходным напряжением схемы.

Временные диаграммы напряжений Uвх(t) и Uвых(t) приведены на рис. 84.

UВых(t)

Рис. 84. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений диодно-стабилитронного ограничителя схемы (см. рис. 71)

Поменяем в схеме полярность включения диодов на противоположную (рис. 85).

При положительном напряжении на входе диод VD1 заперт, практически все входное напряжение проходит на выход схемы, Uвых(t) = Uвх(t).

При отрицательном напряжении, не превышающем по модулю Uст, диод VD1 открыт, а VD2 – заперт и Uвых = Uвх.

Когда отрицательное напряжение Uвх(t) достигает Uст, диод VD1 по-прежнему открыт, а VD2 переходит в режим стабилизации и на выходе Uвых = Uст, реализуется режим ограничения снизу.

100