3. Ограничители амплитуды сигналов

Ограничителем амплитуды сигналов или просто ограничите­лем называется устройство, с помощью которого ограничивается амплитуда выходного напряже­ния при условии, что входное напряжение превосходит опре­деленный предел, называемый порогом ограничения.

При этом форма выходного напря­жения до наступления порога ограничения должна сохра­нять форму входного напряже­ния. Этим условиям отвечает амплитудная характеристика, т. е. зависимость имеющая форму ломаной ли­нии.

Огра­ничение бывает одностороннее и двухстороннее.

В свою оче­редь, различают одностороннее ограничение снизу и одностороннее ограничение сверху.

П

ри одностороннем ограничении в зависимости от его порога, зада­ваемого постоянным напряжением Е, ограничивается та часть выход­ного напряжения, которая располо­жена либо снизу порога ограниче­ния, либо сверху. При двухсторон­нем ограничении изменение выходного напряжения ограничивается порогами, которые могут быть как одинаковыми, так и разными по своему уровню.

Подобные амплитудные характеристики могут быть получены с помощью нелинейных элементов, т. е. полупроводниковых приборов и электронных ламп.

Наибольшее распространение в ограничителях получили полупроводниковые диоды.

Различают две категории схем диодных ограничителей: последовательные и параллельные. В последовательных схемах ограничивающий диод и нагрузка R соединены между собой последовательно.

В параллельных схемах эти элементы соединяются параллельно.

Односторонний амплитудный ограничитель

Односторонний амплитудный ограничитель – это устройство, напряжение на выходе которого U_вых(t) остается на постоянном уровне U_огр, когда входное напряжение U_вх(t) либо превышает некоторое пороговое значение U_пор (ограничение сверху), либо ниже порогового значения (ограничение снизу).

Иначе выходное напряжение повторяет форму входного.

Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные.

В последовательных ограничителях диод включен последовательно с нагрузкой, а в параллельных – параллельно нагрузке.

Рис. 3.1. Последовательный диодный ограничитель

Рассмотрим идеализированную схему последовательного диодного ограничителя. До тех пор пока входное напряжение меньше E₀, диод закрыт и U_вых равно Е₀.

В промежутках времени, когда входное напряжение превышает E₀, диод открыт и U_вых повторяет U_вх. Таким образом, рассмотренный ограничитель является последовательным диодным ограничителем на положительном уровне снизу.

Практически используемая схема рассмотренного ограничителя приведена на рис. 3.2. Она позволяет регулировать уровень ограничения, сделав одно из резисторов R₁ или R₂ переменным.

Рис. 3.2. Реальная схема последовательного диодного ограничителя

Двусторонний амплитудный ограничитель

Двусторонние ограничители ограничивают сигнал на двух уровнях.

Наиболее простыми являются ограничители на диодах (диодные ограничители).

Рассмотрим принцип действия параллельного диодного ограничителя.

Лишь в промежутках времени, когда входное напряжение более отрицательно, чем E₀, диод открыт и U_вых равно Е.

Во все остальные моменты времени диод закрыт и U_вых повторяет U_вх.

Таким образом, данный ограничитель является параллельным диодным ограничителем на отрицательном уровне снизу.

Рис. 3.3. Параллельный диодный ограничитель

Широкое распространение нашли ограничители амплитуды, построенные на основе ОУ.

На рис. 3.4,а приведена схема одностороннего ограничителя на основе ОУ, на рис. 3.4,б – передаточная характеристика ограничителя, а на рис. 3.4,в – временные диаграммы его работы.

Рис. 3.4. Ограничитель амплитуды на ОУ

Основой данного ограничителя является инвертирующий усилитель на основе ОУ.

В промежутках времени, когда напряжение U_вых отрицательное или меньше, чем U_ст+U_д, диод закрыт и устройство работает как обычный инвертирующий усилитель (U_ст – напряжение стабилизации стабилитрона, U_д – прямое падение напряжения на диоде).

В промежутках времени, когда напряжение U_вх выше уровня U_ст+U_д, диод закрыт, а стабилитрон находится в режиме стабилизации и напряжение U_вых ограничивается на уровне U_ст+U_д.

Входное напряжение U₁, при котором начинается ограничение выходного, определяется выражением

,

где К=R₂/R₁.