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

Рис. 85. Электрическая схема и амплитудная характеристика параллельного диодно-стабилитронного ограничителя снизу

Временные диаграммы Uвх(t) и Uвых(t), иллюстрирующие работу ограничителя, приведены на рис. 86.

U(t)

UВых(t)

0

t

Ucт

UВх(t)

Рис. 86. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений диодно-стабилитронного ограничителя схемы (см. рис. 85)

Если включить в схему два стабилизатора, то получим двусторонний ограничитель (рис. 87) [3].

R

Рис. 87. Электрическая схема и амплитудная характеристика параллельного двухстороннего диодно-стабилитронного ограничителя

101

3.Ограничители амплитуды импульсов

Вдвухстороннем ограничителе нет необходимости во включении последовательно со стабилитроном обычного диода, так как его роль выполняет второй стабилитрон, к которому приложено положительное напряжение. На рис. 88 приведены временные диаграммы напряжений Uвх(t) и

Uвых(t).

U(t)

Uст1

0

t

Uст2

Рис. 88. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений двухстороннего диодно-стабилитронного параллельного ограничителя (см. рис. 87)

3.5.Последовательные диодные ограничители со стабилитроном

Всхеме (рис. 89) включены последовательно диод VD1 и стабилитрон VD2.

Рис. 89. Электрическая схема последовательного двухстороннего диодно-стабилитронного ограничителя

При Uвх(t) меньше напряжения пробоя стабилитрона Uст выходное напряжение Uвых(t) = 0. После пробоя стабилитрона VD2, при Uвх(t) = Uст на нем фиксируется напряжение Uст, а выходное напряжение Uвых(t) = = Uвх(t) – Uст. При этом, как показано на рис. 90, выходное напряжение по форме представляет собой как бы смещенные к нулевому уровню срезанные верхушки входного напряжения.

102

3.5. Последовательные диодные ограничители со стабилитроном

Если, как показано на рис. 91, поменять полярности включения диодов VD1 и VD2, то полярность срезанных верхушек входного напряжения поменяется на противоположную.

Рис. 91. Электрическая схема последовательного диодно-стабилитронного ограничителя

Когда отрицательное входное напряжение равно – Uст, стабилитрон пробивается, падение напряжения на нем UD2 = – Uст. При этом диод VD1

103

3. Ограничители амплитуды импульсов

открыт, а на выходе напряжение Uвых(t) = –[ |Uвх(t)| – |Uст(t)| ]. По форме выходное напряжение повторяет смещенное к нулевому уровню входное на временных интервалах t1 < t < t2 и t3 < t < t4, как показано на рис. 92.

Рис. 92. Амплитудная характеристика и временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений одностороннего последовательного диодно-стабилитронного ограничителя (см. рис. 91)

При включении в схему двух стабилизаторов VD1 и VD2, получим двусторонний ограничитель (рис. 93) [4].

Рис. 93. Электрическая схема двухстороннего последовательного диодно-стабилитронного ограничителя

104

3.5. Последовательные диодные ограничители со стабилитроном

Амплитудная характеристика ограничителя и временные диаграммы напряжений Uвх(t) и Uвых(t) приведены на рис. 94.

Рис. 94. Амплитудная характеристика и временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений двухстороннего последовательного диодно-стабилитронного ограничителя

Динамическое смещение

Рассмотрим неискажающую RC-цепь, нагруженную на параллельный диодный ограничитель (рис. 95).

UC

CR0

+–

Рис. 95. Электрическая схема разделительной RC-цепи, нагруженной на параллельный диодный ограничитель

105

3. Ограничители амплитуды импульсов

Если на вход неискажающей разделительной RC-цепи поступает периодически изменяющееся напряжение, то в стационарном режиме на разделительном конденсаторе выделяется постоянная составляющая входного напряжения Uвх= = Uс, а Uвых= = 0. Это является следствием того, что постоянная времени заряда τзар и постоянная времени разряда τраз конденсатора одинаковы.

При подаче на эту цепь сигнала с нулевой средней UС = 0.

Если же периодически изменяющееся напряжение поступает через разделительный конденсатор на ограничитель (см. рис. 95), то τзар ≠ τраз. Действительно, при положительном напряжении на диоде VD – он открыт, и конденсатор С заряжается через параллельно соединенные R и (R0 + Rпр)

С R R0 + Rпр , где Rпр – сопротивление

R + R0 + Rпр

При отрицательном Uвх – диод закрыт, и конденсатор С разряжается через R с постоянной времени τразр = СR. Следовательно, τзар < τраз (С разряжается медленнее, чем заряжается), следовательно, на С выделяется некоторое напряжение (даже при отсутствии постоянной составляющей входного напряжения), которое и называется динамическим смещением

Uс = Uдс. Тогда Uвых= Uвх – Uдс.

Временные диаграммы входного и выходного напряжений схемы (см. рис. 95) приведены на рис. 96.

Рис. 96. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений схемы (см. рис. 95)

106

3.5.Последовательные диодные ограничители со стабилитроном

Встационарном режиме приращение напряжения на конденсаторе во

нее же напряжение на конденсаторе остается неизменным UC0 = Uдс. Рассмотрим процессы заряда и разряда конденсатора, воспользовав-

шись временными диаграммами (см. рис. 96).

Оценим, от каких параметров схемы и как зависит Uдс. Предположим, что на входе синусоидальный сигнал с нулевой посто-

янной составляющей (рис. 97).

Рис. 97. Формирование напряжения динамического смещения Uдс при поступлении на схему (см. рис. 95) синусоидального напряжения

В течение времени t1 < t < t2, когда Uвх больше Uдс, конденсатор С за-

раллельно соединенных R и R0.

На интервале от t2 до t3 конденсатор С разряжается, Uвх меньше Uдс,

диод заперт. Через конденсатор протекает ток разряда iр Uвх −U ДС .

R

Приращение и убыль напряжения на конденсаторе С запишем в следующем виде:

107

3. Ограничители амплитуды импульсов

S – разность между площадями S1 и S2. По мере уменьшения Uдс, снижается S, следовательно, для уменьшения динамического смещения нужно уменьшать R/R0. По мере уменьшения R нагружается источник сигнала, уменьшение R0 приводит к ухудшению качества ограничения, поэтому при необходимости уменьшения динамического смещения в схему вводят второй диод и требуют выполнения равенства R = R0. Подобная схема приведена на рис. 98.

CR0

+–

Рис. 98. Электрическая схема разделительной цепи, нагруженной на параллельный диодный ограничитель с компенсирующей динамическое смещение цепью R VD2

При заряде конденсатор С диод VD2 закрыт, а диод VD1 – открыт, и конденсатор заряжается с постоянной времени τзар = СR0.

При разряде конденсатор С диод VD2 открыт, диод VD1 – закрыт, и разряд осуществляется с постоянной времени τраз = СR.

Поскольку R = R0, то и τзар = τраз. Следовательно, на конденсаторе С не накапливается напряжение, являющееся напряжением динамического смещения Uдс.

С другой стороны, динамическое смещение часто используется для фиксации в выходном напряжении определенного уровня напряжения. Например, если возникает необходимость фиксации на нулевом уровне нижнего уровня двухполярных импульсов, необходимо увеличить Uдс до

108

3.5. Последовательные диодные ограничители со стабилитроном

величины, равной амплитуде сигнала, т.е. получить максимальное значение

Рис. 99. Электрическая схема фиксатора уровня

На рис. 100 приведены временные диаграммы входного и выходного напряжений фиксатора уровня в установившемся режиме.

Рис. 100. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений фиксатора нулевого уровня напряжения в установившемся режиме

109

3. Ограничители амплитуды импульсов

При положительном напряжении (t1 < t < t2), приложенном к диоду, он заперт, и конденсатор С заряжается с постоянной времени

зар C R + RГ . При открытом диоде (t2 < t < t3) конденсатор разряжается с

раз C RГ + Rпр . Если RГ и Rпр << R, то τзар >> τраз и так как при меандре

(tимп = tпаузы) время заряда и разряда равны, конденсатор оказывается заряженным практически до −U ДС −UA . При этом выходное напряжение

смещается в область положительных напряжений на UА. Таким образом, минимальный уровень входного импульсного напряжения оказывается зафиксирован на нулевом уровне.

Для фиксации вершин входных импульсов к нулевому уровню напряжения необходимо в схеме (см. рис. 99) изменить полярность включения диода на противоположную, как показано на рис. 101.

C

RГ +

Рис. 101. Электрическая схема фиксатора вершин входных импульсов к нулевому уровню напряжения

Иллюстрирующие работу схемы (см. рис. 101) временные диаграммы приведены на рис. 102.

Для изменения уровня фиксации (привязки) выходного напряжения, в схему фиксатора вводится напряжение смещения Есм, полярность и величина которого определяет знак и уровень фиксации выходного напряжения [4]. Полярность включения в схему диода по-прежнему определяет, какой (верхний или нижний) уровень входных импульсов будет совмещен с Есм.

На рис. 103 приведена схема фиксатора вершин прямоугольных импульсов к уровню – Есм.

На рис. 104 приведены временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений фиксатора вершин входных импульсов к отрицательному уровню напряжения – Есм.

110