§ 7.3. Ограничители амплитуды

Ограничитель амплитуды состоит из безынерционного нелинейного элемента, являющегося ограничителем мгновенных значений, и резонансного фильтра, выделяющего спектральную зону выходного процесса в области центральной частоты входного сигнала.

В ограничителе амплитуды практически не происходит изменения формы высокочастотного заполнения входного амплитудно-частотно модулированного квазигармонического колебания. В идеальном случае оно превращается в частотно-модулированное колебание с сохранением закона частотной модуляции и устранением амплитудной модуляции.

Типичный вид амплитудной характеристики ограничителя амплитуды (OA) приведен на рис. 7.18. По достижении амплитудой входного напряжения порогового уровня е7_вх._п коэффициент передачи OA резко падает. При изменении входного напряжения в широких пределах еУ_вх._п — U_{ax т} амплитуда выходного напряжения изменяется в сравнительно узких пределах (7_ВЫХ.₀ — U_{wt т}. Качество работы OA можно характеризовать коэффициентом ограничения

(7.41)

где ДеУ_вх — изменение амплитуды входного напряжения, вызвавшее изменение амплитуды выходного напряжения ДсУ_вых.

При амплитудно-модулированном входном сигнале иод А",,_г часто пони-

мают отношение глуоин модуляции н входе и выходе, т. е.

(7.45

Как видно из (7.41), улучшить кг чество ограничения можно снижение] порога ограничения е7_ВХ[1 или уве личением коэффициента усилени OA при £/_вх < с7_вх._п, т. е. увеличе нием и_пых.„. Отсюда же следует во; можность увеличения коэффициент ограничения К₀г за счет каскадног соединения нескольких OA. Легк видеть, что при этом

К иг - Л lA _0Г2, 'Kg? If

ал;-.

Порог ограничения с7_ВХЛ1 явл! ется одним из основных качественны показателей OA, так как определяв его работоспособность при малых aiv плитудах сигнала. Важным качествег ным показателем OA является такж его входное сопротивление, опреде ляемое так же, как и для амплитуд ного детектора.

Для создания OA обычно испол! зуют эффекты насыщения и отсечк тока в транзисторах, а также шунтг рующее действие диодов, внутренне сопротивление которых зависит с амплитуды приложенного напряжс ния [25].

Транзисторные ограничители амг литуды. Схема простейшего транз( сторного OA не отличается от схем обычного резонансного усилител (рис. 7.19). Однако для придани транзистору более четко выражении нелинейных свойств напряжение н коллекторе снижено по сравнению нормальным рабочим значением. Нг пряжение на базе также меньше ног

II

мального. Сопротивление термостабилизации отсутствует, так как, создавая обратную связь по постоянному току, оно перемещает рабочую точку при изменении амплитуды входного сигнала и препятствует созданию перегрузочного режима транзистора. Потенциал базы должен быть жестко

фиксирован пропусканием значительного тока через базовый делитель

^61^62-

Работа ограничителя иллюстрируется рис. 7.20. Здесь / — нагрузочная характеристика по постоянному току, проведенная под углом cxj =9 = arctg О/Яф); 2 — нагрузочная характеристика по переменному току, проведенная под углом а₂ = arctg X х(1/#эк)> где R₃k — эквивалентное резонансное сопротивление нагрузочного контура.

Если амплитуда входного напряжения такова, что превышается размах, ограниченный стрелками на характеристике 2 (U_BX > U₆₂), то начинается отсечка коллекторного тока снизу и насыщение сверху. Форма тока i_K показана на рис. 7.20 пунктиром. При увеличении амплитуды входного напряжения углы отсечки и насыщения увеличиваются, а амплитуда первой гармоники коллекторного тока стремится к величине /,<, = 2//л, где / — размах импульсов коллекторного тока.

Зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения при этом имеет вид, как на рис. 7.18.

Пороги ограничения для транзисторного OA обычно имеют порядок десятых долей вольта. Используя схему дифференциального усилителя, характерную для современных микроэлектронных аналоговых узлов, можно построить OA, в котором ограничение тока происходит только за счет отсечки. Схема подобного OA приведена на рис. 7.21. Входной транзистор включен по схеме ОК., а его нагрузкой является токостабилизирую-щий транзистор Т₃ с резистором обратной связи R. При увеличении отрицательного напряжения на базе транзистора 7\ его коллекторный ток (ij) уменьшается, а коллекторный ток транзистора Т₂ (i₂) увеличивается. Транзистор Т₂ включен по схеме ОБ — потенциал базы фиксирован низкоомным делителем напряжения, а управляющее напряжение подается в цепь эмиттера с полного нагрузоч-

ного сопротивления транзистора Тг (Т₃ и R).

Уменьшение положительного потенциала эмиттера транзистора Т₂ при подзапирании транзистора Т_х приводит к отпиранию транзистора Т₂, т. е. к увеличению его тока (i₂). При полном запирании транзистора 7, ток (, достигает максимального значения, определяемого потенциалом базы транзистора, Т₂. Наоборот, при подаче на вход транзистора 7\ положительного напряжения потенциал эмиттера транзистора Т₂ увеличивается и его ток падает. При некотором значении ы_вх транзистор Т₂ запирается и его ток становится равным нулю. График изменения тока транзистора Т₂ при изменении напряжения и_вх изображен на рис. 7.22. Если и_вх изменяется по закону синуса, ток i₂ приобретает форму квадратной волны с амплитудой первой гармоники 1₂₁ = = 2//л. Контур К в коллекторной цепи, настроенный на частоту первой гармоники, выделяет полосу частот модуляции в районе частоты первой гармоники. Амплитудная характеристика схемы имеет типичный для OA вид (см. рис. 7.18).

На рис. 7.23 представлена схема OA на полевом транзисторе с управляющим /7-л-переходом. Здесь отсутствует начальное смещение на затворе, поэтому при положительных полуволнах входного напряжения возникает ток затвора в виде остроконечных импульсов. Постоянная составляющая этих импульсов тока, проходя по резистору R, вызывает падение напряжения, смещающее рабочую точку транзистора. Таким образом, управляющий р-п-переход и ЯС-цепь образуют линейный диодный детектор с постоянным углом отсечки тока затвора. Угол отсечки тока стока при этом зависит от амплитуды входного напряжения и тем меньше, чем больше эта амплитуда (рис. 7.24), где угол отсечки тока стока оценивается по спрямленной характеристике ;'_с (и_л). С уменьшением угла отсечки амплитуда первой гармоники тока стока падает, а при увеличения пикового

значения тока возрастает. Выборо? значения сопротивления резистора / можно добиться оптимального со отношения этих процессов и по лучить наименьшую зависимое^ амплитуды выходного напряжени; (амплитуды первой гармоники ток;

стока /_с) от амплитуды входного напряжения после превышения порога ограничения. Возможные виды амплитудных характеристик представлены на рис. 7.25. Здесь следует учитывать, что величина W (см. рис. 7.24) определяется выражением U' = U_BX — — U-r — U_BX — U_BX cos 6₃ и чем меньше в_я (больше R), тем меньше изменяется U', а следовательно, и I_т при изменении U_BX.

При R > R_nvt не будет оптимальной компенсации влияния I_т и в_с на /_с, - будет «переограничение». При R •< /?„p_t, наоборот, будет «недоог-раничение».

В полевых МОП-и МДП-транзисто-рах ток затвора практически равен нулю и при и _я > 0. В этом случае для

создания требуемого перемещения рабочей точки приходится применять отдельный детектор в цепи затвора. Схема подобного OA приведена на рис. 7.26. Выбором коэффициента включения транзистора и детектора во входной контур, а также подбором R можно получить оптимальную амплитудную характеристику OA. Эта схема обладает большей гибкостью по сравнению со схемой рис. 7.23, хотя и отличается несколько большей сложностью.

Во всех случаях в схемах OA следует использовать высокочастотные транзисторы с малыми проходными емкостями для исключения влияния просачивания сигнала непосредственно на выход. Это особенно необходимо при больших коэффициентах ограничения.

Коэффициент ограничения на один каскад OA обычно имеет порядок 10— —30. Постоянная времени 7?С-цепи должна удовлетворять обычным требованиям Tq RC > Та, где Т_а и Т_а — периоды частоты модуляции и несущей частоты.

Диодные ограничители амплитуды. Диоды широко используются в ограничителях мгновенных значений благодаря своему свойству резко изменять сопротивление при переходе от закрытого состояния к открытому. Они с успехом могут быть применены и в ограничителях амплитуды при параллельном или последовательном соединении с нагрузочным контуром усилительного каскада. С точки зрения введения запирающего напряжения удобнее параллельная схема диодного OA.

Пример такой схемы приведен на рис. 7.27. Параллельно нагрузочному контуру К включены разнополяр-но диоды Д, и Д₂, запертые одинаковыми напряжениями Е₀. При положительных полуволнах напряжения на контуре отпирается диод Л], при отрицательных — диод Д_г. Считая характеристики диодов линейно-ломаными, видим, что токи через диоды

i2 имеют вид косинусоидальных импульсов, следующих с частотой за-

полнения сигнала. Ток <', являясь суммой токов i„ i₂, представляет собой последовательность поочередно следующих положительных и отрицательных импульсов,

Углы отсечки токов i₃ одинаковы: 6 = arccos (E₀/U_nblx). Как видно, они зависят от амплитуды напряжения на контуре К и тем больше, чем больше амплитуда с7_вь1х. Это значит, что амплитуда первой гармоники тока i (/,) увеличивается, а амплитуда первой гармоники тока через контур /,„ уменьшается, т. е. с ростом сУ„_ых происходит перераспределение тока первой гармоники между контуром и цепью диодов. Это перераспределение тока в большей или меньшей степени компенсирует рост тока /_к1 за счет увеличения напряжения с7_вмх. Таким образом, после превышения амплитудой /7вых порогового значения сУ_вых._п -Е₀ рост амплитуды выходного напряжения (У_Вы_х =/_Ki#_3K резко замедляется с повышением напряжения (7_ВХ за счет перераспределения первой гармоники полного тока (_т (/_т1) между токами /, и /_к1. Все это приводит к тому, что амплитудная характеристика схемы рис. 7.27 приобретает характерный вид, показанный на рис. 7.18.

Отметим, что в перегрузочных режимах (при больших амплитудах входного сигнала) обычные усилительные каскады становятся ограничителями амплитуды и информация, содержащаяся в изменениях амплитуды, искажается или устраняется совсем, а полоса пропускания и избирательность усилителя могут значительно отличаться от нормальных значений.