7.4. Диодные ограничители

Ключевые свойства полупроводниковых диодов позволяют использовать их для построения нелинейных схем ограничителей, выпрямителей, модуляторов и демодуляторов, логических элементов и других специальных электронных схем, осуществляющих разнообразные преобразования поступающих на вход схемы электрических сигналов. С точки зрения применения подобных электронных схем в системах автоматики всегда желательно иметь зависимость, позволяющую определить выходной сигнал диодной схемы в функции от входного, т.е. характеристику «вход-выход». Искомая зависимость «вход-выход» появляется на основе анализа эквивалентной схемы устройства, для построения которой применяются представленные в табл. 7.2 линейные модели диода.

Реальные диодные ключи обладают инерционностью и их работа в динамике, при быстрых изменениях сигналов в ключевой схеме, характеризуется конечным временем переключения из проводящего открытого состояния в закрытое и обратно. Это связано с накоплением и рассасыванием неравновесного заряда в диоде, что соответствует наличию эквивалентной емкости р-n - перехода .

На рис. 7.15 представлена схема для исследования процесса переключения диода и соответствующая ей временная диаграмма.

Рис. 7.15

На отрезке происходит процесс накопления заряда неосновных носителей в базе диода с постоянной времени. При этом в момент появления скачка отпирающего напряжения до значения, когда базовый кристалл еще не насыщен избыточными неосновными носителями, сопротивление кристалла велико и напряжение на диодепревышает установившийся уровень. По мере насыщения базового кристалла неосновными носителями заряда сопротивление диода уменьшается и соответственно уменьшается напряжение на диоде. Через интервал времениустанавливается прямое сопротивление и прямое напряжение диода, а ток через диод становится равным прямому току, где- внутреннее сопротивление генератора входного сигнала.

Если в схеме на рис. 7.15б входное напряжение скачком изменяет полярность и становится равным , то диод запирается не мгновенно. Это связано с тем, что в базе накоплен избыточный заряд носителей, и сначала сопротивление диода мало, существует обратный токгде. Под действием этого тока в течение короткого интервала времени- времени рассасывания, избыточный заряд неосновных носителей рассасывается, сопротивление диода начинает возрастать, а ток - уменьшаться. После установления обратного сопротивления в течение времени среза импульса тока, определяемого соотношением, запирание диода завершается. Таким образом, время переключения из открытого состояния диода в закрытое, время восстановления исходного состояния диода, определяется как.

Для высокочастотных диодов и диодов Шоттки и, кроме того, у современных быстродействующих диодовине превышают десятков наносекунд, и влияние указанных параметров сказывается только при малых паразитных емкостях и емкостях нагрузки. При значительной емкости нагрузки основную роль играют переходные процессы, определяемые зарядом и разрядом емкости нагрузки.

Для стабилитронов, рабочим участком ВАХ которых является участок электрического пробоя, в импульсном режиме работы также учитывают наличие общей емкости стабилитрона , которая может достигать у отдельных типов приборов нескольких тысяч пикофарад.

В динамическом режиме диод может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 7.16), где элементы принимают значения, соответствующие тому или иному режиму работы диода.
	Рис. 7.16

Для замкнутого диодного ключа ; для разомкнутого диодного ключа; для участка стабилизации напряжения.

Ограничителем называется четырехполюсник, напряжение на выходе которого остается практически на постоянном уровне, называемом уровнем ограничения, при достижении входным напряжением определенного заданного значения порога ограничения.

Ограничители предназначены для изменения формы входного сигнала и строятся с использованием активных транзисторных или пассивных диодных ключей. Последние проще в настройке и эксплуатации. В зависимости от подключения диодов по отношению к нагрузке различают последовательные и параллельные диодные ограничители. И те, и другие могут быть с ограничением выходного напряжения сверху и снизу, с одним порогом ограничения (односторонние) и двумя порогами ограничения (двусторонние), с ограничением на нулевом уровне и ненулевом уровне. Для обеспечения ненулевого уровня в схему вводятся источники ЭДС.

Основной характеристикой ограничителя является передаточная характеристика «вход-выход» , в соответствии с формой которой ограничителям присваиваются обозначения на структурных и функциональных электрических схемах. Используя характеристику «вход-выход» при заданной форме входного сигнала, можно получить и зависимость, форма которой также может быть введена в условное графическое обозначение ограничителей на электрических схемах. Примеры передаточной характеристики, её применения для получения зависимостии условных графических обозначений на структурных и функциональных электрических схемах для идеального двустороннего ограничителя с ненулевыми уровнями ограниченияии порогами ограниченияпредставлены на рис. 7.17.

Рис. 7.17

Аналитическое описание зависимости , представленной на рис. 7.17а:

где - коэффициент передачи схемы. На участке 1 графика рис. 7.17а(для диодных ограничителей, для транзисторных). На участках ограничения (насыщения), т.е. участках 2 и 3 графика рис. 7.17а.

Схемы двусторонних ограничителей на выпрямительных и импульсных диодах строятся чаще всего путем последовательного соединения схем односторонних ограничителей.

Простейшей схемой последовательного диодного ограничителя (рис. 7.18а) является ограничитель снизу на нулевом уровне.

Рис. 7.18

Если входной сигнал синусоидальный, то для идеального диодного ключа с при положительной полуволне входного сигнала диод открыт и, т.е. передача входного сигнала осуществляется с. При отрицательной полуволне входного напряженияи коэффициент передачи. Соответствующие этому алгоритму работы схемы временные зависимости и характеристика «вход-выход» приведены на рис. 7.18б и рис. 7.18в (график 1).

Поскольку реальный диод имеет конечные значения сопротивлений в прямом и обратном направлении и, то создается делитель напряжения по сопротивлениям, и выходное напряжение определяется в каждый полупериод входного напряжения в соответствии с выражением

, (7.8)

т.е. передача входного сигнала на выход схемы ограничителя рис.6а осуществляется с коэффициентом передачи (график 2 на рис. 7.18в)

. (7.9)

При замкнутом диодном ключе для максимального приближения коэффициента передачи к идеальному значению должно выполняться условие

. (7.10)

При разомкнутом диодном ключе для получения близкого к идеальному коэффициента передачи нужно выбирать сопротивление нагрузки в соответствии с выражением

. (7.11)

Для выпрямительных и импульсных диодов качество работы диодного ключа существенно зависит от величины коэффициента выпрямления диода

. (7.12)

Поэтому для выполнения условий (7.10) и (7.11) необходимо выбирать сопротивление нагрузки ограничителя, пользуясь соотношением , которое с учетом выражения (7.12) приобретает вид

. (7.13)

Ограничение сверху с нулевым порогом ограничения можно получить, изменив полярность включения диода на противоположную.

Для получения ограничения на заданном уровне в схему вводится источник ЭДС. На рис. 7.19 показана схема (рис. 7.19а) и временная диаграмма (рис. 7.19б) последовательного ограничителя снизу с уровнем ограничения . Для получения ограничения сверху на уровненеобходимо изменить полярность подключения источника и диода (на рис. 7.19а показано пунктиром).

Рис. 7.19

Двустороннее ограничение возможно при последовательном включении ограничителей сверху и снизу. При этом возможно ограничение сигналов по максимуму и минимуму (рис. 7.20а, б). Напряжения источников ивыбираются так, чтобы в отсутствие входного сигнала диодбыл открыт. Верхний уровень ограничения определяется напряжением, а нижний - потенциалом катода диода, соответствующим границе отпирания. Диодотпирается, когда напряжение на входе превышает значение.

Рис. 7.20

Существенное влияние на работу последовательных диодных ограничителей оказывают паразитные емкости: междуэлектродная емкость диода и емкость, включающая в себя входную емкость следующего устройства (нагрузочного) и емкость монтажа (рис. 7.21а).

Рис. 7.21

Наличие емкостей обуславливает существование в схеме ограничителя не только делителя напряжения по сопротивлениям с коэффициентом , определяемым выражением (7.9), но и делителя по емкостям с коэффициентом деления напряжения

. (7.14)

Поэтому даже при закрытом диоде на выходе схемы входной сигнал будет отображаться в виде помех (рис. 7.21б) с амплитудами

.

Поскольку для закрытого диода , то длительность помехи, определенная на уровне, составляет

, (7.15)

где .

При передаче положительного входного импульса форма выходного сигнала определяется соотношением между и. Каждый скачок напряжения на входеделится между емкостямиии обуславливает скачок напряжения на выходе

. (7.16)

После отпирания диода под воздействием положительного перепада входного напряжения начинается экспоненциальное изменение с постоянной времени

, (7.17)

а после запирания диода под воздействием отрицательного перепада входного напряжения изменение осуществляется с постоянной времени

. (7.18)

Экспоненциальный спад или нарастание напряжения осуществляется в течение временидо значения

, (7.19)

а изменение заднего фронта выходного сигнала (срез импульса) происходит в течение времени .

Для лучшего ограничения выбирают как можно больше, но увеличениеограничивается допустимым временем среза. Поэтому при заданномвыбираютиз соотношения

. (7.20)

Простейшей схемой параллельного диодного ограничителя является ограничитель на нулевом уровне (рис. 7.22а).

Рис. 7.22

Если входной сигнал синусоидальный, то для идеального диодного ключа с ипри положительной полуволне входного сигнала диод открыт и, т.е. коэффициент передачи входного напряжения на выход схемы, а для отрицательной полуволны входного напряжения диодный ключ разомкнут и, т.е. коэффициент передачи напряжения данной схемы

(7.21)

и при .

Соответствующая описанному принципу работы схема приведена на рис. 7.22а, временная диаграмма приведена на рис. 7.22б, передаточная характеристика «вход-выход» - на рис. 7.22в (график 1).

Учитывая наличие конечных значений сопротивлений диода в прямом и обратном включении и, коэффициент передачи по напряжению схемы на рис. 7.22а становится равным

, (7.22)

где . Реальная зависимостьпредставлена на рис. 7.22в (график 2). В этом случае для максимального приближения к идеальному ограничению должно выполняться условие

. (7.23)

Для получения ограничения снизу необходимо изменить полярность включения диода (на рис.7.22а показано пунктиром). Для обеспечения ограничения на ненулевом уровне в схему, как и в случае последовательного ограничителя, должен быть введен источник ЭДС, который включается последовательно с диодом (рис. 7.23а). Соответствующая такой схеме временная диаграмма приведена на рис. 7.23б.

Рис. 7.23

Сочетание схем параллельных диодных ограничителей с ограничением снизу и сверху на ненулевых уровнях ипозволяет получить схему двустороннего ограничения входного напряжения (рис. 7.23в).

Существенное влияние на работу параллельных ограничителей оказывают паразитные емкости (рис. 7.24а): - емкость диода и- емкость монтажа и нагрузки. Поскольку емкости включены параллельно нагрузке, то эквивалентная емкостьне создает делителя напряжения по емкостям, и при наличии импульсного входного напряжения для замкнутого диодного ключа напряжение импульсной помехи не создается, а для разомкнутого диодного ключа присутствуют искажения фронта и среза импульса (рис. 7.24б).

Рис. 7.24

Под действием переднего фронта входного импульса емкость заряжается, формируя передний фронт выходного напряжения с длительностью

. (7.24)

Под действием заднего фронта емкость разряжается, формируя срез выходного импульса напряжения с длительностью.

Для получения лучшего ограничения желательно увеличивать, но это приводит к затягиванию фронтов, поэтому при заданном значениисопротивлениевыбирается из условия

. (7.25)

Построение импульсных схем с использованием интегральных микросхем, полезные сигналы которых составляют десятые доли вольта, приводит к необходимости в ограничителях и других диодных схемах учитывать обратный ток диода и напряжение отпирания диода, составляющее для германиевых диодов 0,20,3 В, для кремниевых – 0,40,6 В.

В интегральной микросхемотехнике в качестве диодов используются транзисторы в диодном включении. При этом параметры диода-транзистора меняются в зависимости от схемы включения. Возможны пять схем диодного включения транзистора (рис. 7.25а-д).

Рис. 7.25

В схемах рис. 7.25а,г в качестве диода используется эмиттерный переход (напряжение пробоя и обратные токималы, так как у эмиттерного перехода малые площадь и ширина), такой «диод» применяется для работы с малыми напряжениями до 35 В.

В схемах рис. 7.25б,д используется коллекторный переход, и для них характерны относительно большие значения и. В схеме рис. 7.25в эмиттерный и коллекторный переходы соединены параллельно, вследствие чегомало, а обратный ток равен сумме обратных токов обоих переходов, значение тока через диод возрастает.

Наибольшее прямое падение напряжения имеет место в схеме рис. 7.25а, наименьшее  в схеме рис. 7.25г. Емкость транзистора в диодном включении определяется емкостью соответствующего перехода и имеет минимальное значение в схеме рис. 7.25г.

Наличие источников ив эквивалентных представлениях диода (рис. 7.2) позволяет уточнить характеристику «вход-выход» любой ключевой схемы после соответствующего анализа электрических эквивалентных схем для каждого состояния диода. Поскольку анализ линейной схемы при наличии в ней нескольких источников токов и напряжений осуществляют с использованием принципа суперпозиции, то выходной сигнал для каждого из состояний диодного ключа находят в виде алгебраической суммы, гдеопределяется входным переменным сигналом, а- источником постоянного токаили постоянного напряжения при разных состояниях диодного ключа.