Лабораторная работа № 14 полупроводниковые ограничители

Цель работы: Знакомство со схемами, функциональным назначением и принципами работы ограничителей на полупроводниковых диодах.

1. Теоретические сведения

Идеальными ограничителями называют четырехполюсники, выходное напряжение которых совпадает с входным, если величина последнего не выходит за пределы некоторых пороговых значений. Эти пороговые значения называют уровнями ограничения. Вне уровней ограничения выходное напряжение остается постоянным и равным значению уровня ограничения.

1.1. Типы ограничителей

Различают три типа ограничителей. Передаточная характеристика, то есть зависимость выходного напряжения u₂ от входного u₁, идеального ограничителя по максимуму (ограничителя сверху) имеет вид

(1)

Рис. 1. Передаточные характеристики ограничителей:

а – ограничителя сверху; б – ограничителя снизу; в – двустороннего ограничителя

где U_max – уровень ограничения сверху. Передаточная характеристика ограничителя сверху показана на рисунке 1, а.

Идеальный ограничитель по минимуму (ограничитель снизу) описывается передаточной характеристикой вида

(2)

где U_min – уровень ограничения снизу (рис. 1, б). Наконец, двусторонний ограничитель имеет передаточную функцию, показанную на рисунке 1, в и описываемую выражением

(3)

Областью ограничения называют область значений входного напряжения u₁, при котором выходное напряжение остается постоянным и равным соответствующему уровню ограничения (U_min или U_max). На рисунке 1 эти области обозначены штриховкой. Соответственно, областью пропускания ограничителя называют область значений входных напряжений, при которых входной сигнал проходит на выход устройства без изменений, то есть u₂ = u₁.

Основными требованиями, предъявляемыми к ограничителям, являются стабильность коэффициента передачи в области пропускания и стабильность уровней ограничения. Для реализации ограничителей используются как пассивные, так и активные элементы, статические характеристики которых имеют существенную нелинейность. Наиболее широкое распространение получили диодные ограничители, так как они отличаются простотой схемы и достаточно высокой стабильностью характеристик.

1.2. Схемы диодных ограничителей

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики:

а – идеального диода; б – реального диода; в – линейная модель ВАХ (5)

Среди всего многообразия схем ограничителей, использующих нелинейные свойства полупроводниковых диодов, наиболее распространенными являются ограничители с параллельным (по отношению к выходу устройства) включением диодов. Как известно, идеальный диод характеризуется нулевым сопротивлением при протекании через него тока в одном направлении и бесконечным сопротивлением при обратном токе. Таким образом, вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеального диода (рис. 2, а) может быть описана парой уравнений вида

(4)

Обратный ток и прямое падение напряжения реального диода отличны от нуля, а зависимость i_а(u_ак) нелинейна (рис. 2, б). В линейном приближении с учетом падения напряжения на открытом диоде его ВАХ может быть описана следующими выражениями:

(5)

причем r_пр << r_обр, а прямое напряжение U_д составляет от 0,3 до 0,7 В для различных диодов. Вид модели ВАХ (5) показан на рисунке 2, в.

Рис. 3. Диодный ограничитель по максимуму:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений

Рассмотрим диодный ограничитель по максимуму (рис. 3, а) при гармоническом воздействии u₁(t) = U₁sin(₀t + ) (рис. 3, б). Схема состоит из резистора R, диода VD и источника постоянного напряжения E, который и определяет уровень ограничения. Ограничение происходит на временных интервалах, когда диод открыт и протекающий через него ток i_а создает падение напряжения на резисторе R. Запишем уравнение Кирхгофа для схемы, представленной на рисунке 3, а:

.

Используя линейную модель ВАХ диода (5), из этого уравнения получим

Выражая в полученных уравнениях u₂(t) = u_ак + E, преобразуем их к виду

Если сопротивление резистора R удовлетворяет условию

r_обр >> R >> r_пр,

получаем приближенные уравнения

(6)

которые сходятся к уравнениям (1) при условии U_д << E = U_max.

Рис. 4. Диодный ограничитель по минимуму:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений

Рассуждая аналогично, получим уравнения, описывающие диодный ограничитель по минимуму (рис. 4) и сходящиеся к уравнениям (2) при U_д << E = U_max и r_обр >> R >> r_пр:

(7)

В рамках сделанных предположений работа описанных ограничителей сводится к следующему. В области пропускания (u₁(t) > E для схемы на рисунке 3 и u₁(t) < E для схемы на рисунке 4) диоды находятся в закрытом состоянии, источник напряжения E отключен от выхода схемы, а выход ограничителя через резистор R соединен со входом, поэтому u₂(t)  u₁(t). В области ограничения (u₁(t) < E для схемы на рисунке 3 и u₁(t) > E для схемы на рисунке 4) диоды открыты, источник напряжения E подключен к выходу, а разность напряжений u₁(t) – E падает на сопротивлении R.

В рассматриваемых схемах уровень ограничения можно регулировать изменением величины и полярности источника напряжения E. Если схемы ограничения сверху (рис. 3) и снизу (рис. 4) объединить, получится схема двустороннего ограничения (рис. 5).

Подобные схемы являются наиболее распространенными и служат для получения прямоугольных импульсов из гармонического сигнала. Если выбрать величины напряжений E₁ и E₂ так, чтобы они были существенно меньше амплитуды входного сигнала, на выходе ограничителя можно получить импульсы с короткими фронтами, однако амплитуда этих импульсов получится достаточно малой. Поэтому сигнал с выхода двустороннего ограничителя обычно усиливается и для нормировки по амплитуде подается на другой ограничитель.