13.3. Ограничители амплитуд

Ограничителями амплитуд называются функциональные элементы электронной техники, напряжение на выходе которых повторяет форму и мгновенные значения входного до достижения им определённого уровня, называемого порогом ограничения. При превышении входным сигналом порога ограничения величина выходного напряжения остаётся постоянной, равной порогу ограничения. Ограничители амплитуд применяются для защиты чувствительных входных цепей приёмных устройств от сигналов большой мощности, выделения импульсов требуемой полярности, выравнивания амплитуд импульсов, селекции импульсов по амплитуде, преобразования напряжений синусоидальной формы в прямоугольные импульсы и т. д.

Классификационными признаками ограничителей амплитуд служат:

1. Вид (сторона) ограничения – по максимуму или сверху, по минимму или снизу и двухсторонние (см. рис. 13.3.1, а, б, в соответственно).

2. Уровень ограничения – на нулевом уровне, на уровне +Е или на уровне –Е.

3. Тип нелинейного полупроводникового элемента – ламповые, полупроводниковые (диодные или транзисторные.

4

Рис. 13.3.1. УГО ограничителей амплитуд и примеры их рабочих характеристик:

а– рху (по максимуму);б– снизу (по минимуму ив– вухсторонние

.Схема включения полупроводникового элемента и нагрузки - последовательная или параллельная.

Наиболее распространёнными в электронике являются диодные ограничители амплитуд (ДОА) на выпрямительных диодах и стабилитронах.

Последовательными ДОА являются ограничители, у которых диод VD и нагрузка R включены последовательно с источником входного сигнала U_вх. Простейшим может служить ограничитель снизу на нулевом уровне, принципиальная схема и рабочие диаграммы которого показаны на рис. 13.3.2.

Рис. 13.3.2. Принципиальная схема и временные характеристики последовательного ДОА снизу (по минимуму) на нулевом уровне

При действии на входе схемы положительной полуволны U_вх диод VD открыт и через него протекает прямой ток I_VD, создающий на нагрузке R падение напряжения U_R = U_вых = I_VD R. Поскольку прямой ток I_VD изменяется в фазе с прямым напряжением смещения, то при открытом диоде выходное напряжение повторяет форму входного. При действии отрицательной полуволны U_вх диод закрыт (I_VD = 0) и выходное напряжение равно нулю (U_вых = 0).

Для изменения вида (стороны) ограничения достаточно изменить полярность включения диода, а для изменения уровня ограничения необходимо в цепь включить соответствующий источник порогового напряжения . Для примера рассмотрим работу последовательного ДОА сверху на уровне +Е, приведённую на рис. 13.3.3.

П

Рис. 13.3.3. Последовательный ДОА сверху на уровне + Е

ри отсутствии входного сигнала (0 ≤ t < t₁ и t > t₃) диод VD открыт прямым смещением источника Е, «+» которого приложен к его аноду, а «–» через внутреннее сопротивление датчика U_вх – к катоду. Протекающий ток создаёт на нагрузке R падение напряжения Поскольку напряжениеU_{R нач} имеет полярность, встречную к источнику смещения Е, то выходное напряжение U_вых = Е – U_{R нач} .

Пусть, например, входной сигнал U_вх имеет форму линейно падающего напряжения и действует в течение рабочего хода t_р (t₁ ≤ t ≤ t₃), изменяясь от уровня +U_{вх m} > E до уровня –U_{вх m}. С поступлением положительной части U_вх = + U_{вх m} > +E на катод диода VD (момент t₁) диод закроется и падение напряжения на нагрузки R станет равным нулю, а на выходе установится напряжение источника смещения +Е. Напряжение U_вых = +E будет оставаться постоянным до открытия диода. Начиная с момента t₂, напряжение U_вых начнёт падать и повторять форму входного напряжения (до момента t₃), так как ток диода I_VD , линейно нарастая в фазе с изменением U_вх, будет создавать линейно падающее U_вых = Е – U_R = Е – I_VD R < 0. Таким образом, ДОА, схема которого приведена на рис. 13.3.3, выполняет функцию ограничения U_вх сверху (по максимуму) с порогом его ограничения источником смещения на уровне + Е.

Анализ работы схем, представленных на рис. 13.3.2 и 13.3.3, показывает, что ограничение в последовательных ДОА наступает при закрытом состоянии диода. Вместе с тем необходимо отметить, что для обеспечения надёжной работы последовательного ДОА следует выбирать сопротивление резистора нагрузки R из условия .

Параллельными ДОА являются ограничители, у которых диод VD и нагрузка R включены параллельно источнику входного сигнала U_вх. Обязательным дополнительным элементом такой схемы служит ограничивающий (балластный или гасящий) резистор R_огр, включаемый между источником U_вх и параллельной «парой»: диодом VD и нагрузкой R. Основная функция резистора R_огр – перераспределять падения напряжения в схеме при отпирании и запирании диода, а также предохранять источник U_вх от больших токов при его закорачивании открытым диодом. Простейшим решением параллельного ДОА может служить ограничитель на нулевом уровне сверху, принципиальная схема и рабочие диаграммы которого показаны на рис. 13.3.4.

Условием выполнения параллельным ДОА своих функций служит соблюдение следующего неравенства:

R_{VD отк} <<R_огр << R ≈R_{VD зак}. (13.3.1)

При действии на входе схемы напряжения U_вх положительной полярности (0≤ t≤ t₂) диод VD открыт и ток I_пр, создаваемый U_вх, равен:

I_пр = U_вх/( R_огр + R_общ.VD,R).

Заметим, что общее сопротивление параллельно включённых элементов «меньше меньшего», т. е. R_{общ VD,R} < R_{VD отк}, и, следовательно, по условиям неравенства (13.3.1), значительно меньше, чем R_огр. Поэтому с достаточной точностью для практики можно определить, что I_пр ≈ U_вх / R_огр, и что при делении напряжения U_вх между сопротивлениями R_огр и R_{общ VD,R} < R_{VD отк} падение напряжения на R_огр будет равно U_вх, а напряжение U_вых ≈ 0.

П

Рис. 13.3.4. Принципиальная схема и временные характеристики параллельного

ДОА сверху (по максимуму) на нулевом уровне

ри действии же на входе схемы напряженияU_вх отрицательной поляр-ности (t₂< t≤ t₄) диод VD закрыт и ток I_обр, создаваемый U_вх, равен: I_обр = U_вх / /( R_огр + R_{общ VD,R}). Теперь R_{общ VD,R} = 0,5 R_{VD зак} = 0,5 R стало значительно боль-ше, чем R_огр, поэтому I_обр ≈ U_вх / (0,5 R) и при делении напряжения U_вх между сопротивлениями R_огр и R_{общ VD,R} ≈ R_{VD зак} >> R_огр падение напряжения U_вых на R_{общ. VD,R} будет равно U_вх, а напряжение U _{R огр} ≈ 0. Таким образом, в параллельных ДОА ограничение наступает при открытом состоянии диода. Изменить сторону (вид) и уровень (порог) ограничения в них можно изменением полярности включения диода и применением дополнительных источников смещения соответственно. Конечно, уровень ограничения параллельных ДОА более зависит от величины U_вх, чем у последовательных, однако простота получения двухстороннего ограничения способствует их дальнейшему распространению. В качестве примера на рис. 13.3.5 приведена схема двухстороннего ДОА с порогами ограничения + Е, широко применяемая в АЦП «фаза-код» для получения из синусоидального напряжения прямоугольного «меандра».

На основе дедуктивного подхода можно заключить, что ограничение сверху на уровне +Е наступает при открытом состоянии диода VD₂, а на уровне –Е – при открытом состоянии диода VD₁.

Наиболее рациональным для двухстороннего ограничения является использование стабилитронов, включаемых по схеме последовательных ДОА. Принципиальная схема и временные характеристики двухстороннего ДОА на стабилитроне с порогами ограничения 0 и –Е показаны на рис. 13.3.6.

Рис. 13.3.5. Принципиальная схема и временные характеристики параллельного

ДОА, реализующего двухстороннее ограничение на уровнях

Рис. 13.3.6. Принципиальная схема и временные характеристики двухстороннего

ДОА на стабилитроне с порогами ограничения 0 и –Е

Здесь в период 0 ≤ t ≤ t₁ на анод стабилитрона VD действует напряжение U_вх положительной полярности и стабилитрон, будучи смещённым в прямом направлении, работает как открытый выпрямительный диод в обычном последовательном ДОА: R_{VD отк} << R_огр, поэтому происходит ограничение на нулевом уровне по максимуму (сверху) (U_{R огр} ≈ U_вх, U_вых ≈ 0).

В случае поступления на анод стабилитрона напряжения U_вх отрицательной полярности, не вызывающего обратимого пробоя VD (периоды t₁ < t < t₂ и t₃ < t < t₄), схема работает как параллельный ДОА с закрытым диодом – повторяет изменения входного сигнала: U_вых = U_вх (U_{R огр} ≈ 0).

При превышении обратным смещением уровня напряжения стабилизации (–U_ст) стабилитрон VD «пробивается» и начинает пропускать ток I_ст, но направления противоположного прямому (период t₂ ≤ t ≤ t₃). Происходит перераспределение напряжений между элементами схемы: напряжение на выходе стабилизируется на уровне U_вых = –U_ст, а напряжение U_{R огр} «гасит» остальную часть U_вх, превышающую U_ст (U_{R огр} = U_вх – U_ст).

Основные функции ограничителей могут быть обозначены графиками на ВАХ, отдельные из которых приведены на рис. 13.3.7.

Рис. 13.3.7. Графики ВАХ ДОА снизу на нулевом уровне (а), сверху на уровне +Е (б) и духстороннего сверху на уровне +Е и снизу на уровне –Е(в)

По своему функциональному назначению ограничители амплитуд относятся к классу схем сравнения уровня сигналов и в сериях ИМС обозначаются буквами СА. В случае необходимости получить одновременно с ограничением и усиление сигнала применяют ограничители-усилители, с соответствующей заменой пассивных диодов на активные транзисторы.