Ограничители амплитуд

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ограничители амплитуд

В цифровой электронике среди широкого круга устройств, предназначенных для формирования и преобразования импульсов, применяются так называемые ограничители амплитуд.

Ограничителем называется электронное устройство, выходное напряжение которого остается постоянным, если значение входного находится в заданных пределах и пропорционально входному, если оно выходит за эти пределы.

Различают ограничители односторонние и двухсторонние. Первые, в свою очередь делятся на ограничители сверху и снизу.

На рис.1 приведены передаточные характеристики и эпюры входного и выходного напряжений ограничителя сверху.

Как видно из рисунка, амплитудная характеристика ограничителя существенно нелинейна и имеет характерную точку излома передаточной кривой. При U_вх U_пор выходное напряжение пропорционально входному. При U_вх > U_пор выходное напряжение остается на постоянном уровне, называемым верхним уровнем ограничения по выходу - U_{огр верх}. В общем случае напряжения U_пор и U_огр не равны друг другу.

На рис.2 приведены аналогичные кривые для ограничителя снизу. Амплитудная характеристика отличается только местом расположения излома на передаточной кривой. Соответственно изменяются соотношения между U_вх и U_пор . При U_вх U_пор выходное напряжение пропорционально входному. При U_вх U_пор выходное напряжение остается на постоянном уровне, называемым нижним уровнем ограничения по выходу и ограничения входного сигнала наблюдается внизу.

Работа двухстороннего ограничителя поясняется на рис.3. Передаточная характеристика имеет две характерные точки, соответственно, во входном напряжении различаются два пороговых значения: U_{пор верх} и U_{пор ниж}, а в выходном - два уровня ограничения - U_{огр верх} и U_{огр верх}. Выходное напряжение двухстороннего ограничителя пропорционально входному, если оно находится между двумя пороговыми значениями, т.е.

ограничитель амплитуда напряжение диодный

U_{пор ниж} U_вх U_{пор верх}

Вне этих пределов выходное напряжение остается постоянным, принимая значения либо U_{огр ниж ,} либо U_{огр верх}:

U_вых = U_{огр верх} при U_вх > U_{пор верх}

U_вых = U_{огр ниж} при U_вх < U_{пор ниж}

Наиболее простыми по исполнению являются диодные ограничители. Различают последовательные и параллельные ограничители. В последовательных ограничителях диод включен последовательно с нагрузкой, в параллельных - параллельно нагрузке. Схему диодного ограничителя составим самостоятельно отталкиваясь от схемы однопериодного выпрямителя, на вход которого подается синусоидальное напряжение (см.рис.3а).

Эпюра выходного напряжения представлена на рис.3б. Из этого рисунка следует, что в терминах сегодняшней темы схему на рис.3а можно рассматривать как односторонний ограничитель снизу с U_{огр ниж} =0. Для смещения U_{огр ниж} в отрицательную область следует подать на диод напряжение величиной U _см , как показано на рис4а. Тогда при изменении входного напряжения в пределах U_см <U_вх диод будет открыт, т.к. смещен в прямом направлении и сигнал без изменений будет передаваться в нагрузку. Лишь при U_вх = U_см напряжение на диоде будет равно нулю, диод закроется, а U_вых повторяет U_см.

Эпюра выходного напряжения показана на рис.4б.

Если поменять полярность U_см на обратную, то при небольшом положительном входном напряжении диод будет заперт и на выходе будет присутствовать постоянное напряжение U_см. Диод откроется при уровне входного сигнала большем, чем U_см (U_вх > U_см ) и только в этом случае U_вых = U_вх. Т.о. U_{огр ниж} оказалось смещено в положительную область (см рис.5б).

Для одностороннего ограничения сверху необходимо изменить полярность включения диода, как показано на рис.6а.

Очевидно, что для получения отрицательного U_{пор верх} (эпюра на рис.6б) напряжение смещения должно иметь полярность как показано на рис.6а. В этом случае для прохождения входного сигнала на выход напряжение на входе должно быть более отрицательно, чем U_см. Чтобы получить положительное U_{пор верх} , необходимо изменить полярность U_см на обратную.

Схему диодного, двухстороннего ограничителя амплитуды легко получить, объединяя исследованные схемы (рис.7а).

Последовательный диодный ограничитель амплитуды имеет одну особенность, которая может стать решающей при применении в электронных устройствах. Между источником сигналов и таким ограничителем нельзя включить разделительный конденсатор, т.к. цепь окажется разорванной по постоянному току. От этого недостатка свободен параллельный диодный ограничитель. Как следует из названия, диод в таких ограничителях подключается параллельно нагрузке. Схема параллельного диодного ограничителя приведена на рис.8а. Работа ограничителя, как и ранее, основана на ключевых свойствах диода. Закрытый диод не оказывает влияние на работу схемы. В открытом состоянии диод своим малым сопротивлением шунтирует нагрузку, тем самым, как бы изолируя, ее от источника сигнала. Сопротивление R выбирается большим и его присутствие в схеме является обязательным - без него независимо от состояния диода U_вых =U_вх.

Если U_см равно нулю, то диод открывается только при положительной полуволне на входе ограничителя. Следовательно, выходное напряжение будет состоять из отрицательных полуволн синусоидального входного напряжения и U_{огр верх} =0. Для изменения U_{огр верх} вводят последовательно с диодом постоянное напряжение смещения U_см. При изменении входного напряжения в пределах U_вх U_см диод будет закрыт, т.к. к диоду приложено обратное напряжение и выходной сигнал будет повторением входного (для простоты пренебрегаем падением напряжения на диоде). При U_вх > U_см диод открывается, и нагрузка подключается к источнику напряжения смещения и изолируется от входного сигнала. Для ограничения снизу следует изменить полярность подключения диода. Схема двухстороннего диодного ограничителя приведена на рис.9а и получается сочетанием двух односторонних ограничителей. Рис.9б поясняет работу двухстороннего ограничителя.

При U_см2 U_вх U_см1 диоды закрыты и ограничение отсутствует, при U_вх < U_см2 VD2 открыт и U_вых ограничивается снизу на уровне U_см2, при U_вх > U_см1 открыт VD1 и U_вых ограничивается снизу на уровне U_см1.

Усилитель-ограничитель на биполярном транзисторе.

Довольно часто требуется, что бы ограничитель в нужные моменты времени, не просто повторял входной сигнал, а усиливал его. Например, это требуется при преобразовании синусоидального сигнала в меандр. В таких ограничителях в качестве нелинейного элемента используется транзистор. Отличительной особенностью работы усилителей -ограничителей является пониженное напряжение питания Е_п и требование значительной амплитуды входного напряжения.

Схема усилителя-ограничителя приведена на рис.10а, работа поясняется на рис.10б.

Усиление сигнала осуществляется при расположении рабочей точки в линейной области, а ограничение за счет использования нелинейных областей вольт-амперной характеристики. Ограничение сверху возникает при попадании рабочей точки в область отсечки, ограничение снизу - в область насыщения.

В последнее время все более широкое применение находят ограничители на операционных усилителях. На рис.11 приведена схема и передаточная характеристика одного из них .

Выходные эпюры приведены на рис.8б. U_VD1 - напряжение стабилизации стабилитрона, U_VD2 - прямое падение напряжения на диоде.

Основой рассматриваемого ограничителя является инвертирующий усилитель на ОУ. При U_вых,< U_VD1 +U_VD2 диод закрыт и устройство работает в усилительном режиме. При U_вых,> U_VD1 +U_VD2 диод открыт, а VD1 находится в режиме стабилизации. U_вых ограничивается на уровне U_VD1 +U_VD2 , при этом входной напряжение определяется выражением:

U_вх,= -(U_VD1 +U_VD2)R₁/R₂

Для двухстороннего ограничения диод VD следует заменить стабилитроном. Схема и передаточная характеристика приведены на рис.12.

На рис.12б использованы обозначения: U _{СТ VD} - напряжение стабилизации стабилитрона , U _{ПР VD} - прямое падение напряжения на нем.

При положительном выходном напряжении и U_вых,= U _{СТ VD2} +U _{ПР VD1} VD1 используется как диод, и U_вых ограничивается на этом уровне. При отрицательном выходном напряжении VD2 используется как диод и при U_вых,= - ( U _{СТ VD2} +U _{ПР VD1}) оно стабилизируется на уровне суммы напряжений.

Входные напряжения, при которых начинаются ограничения рассчитываются по формулам:

U_вх1 = ( U _{СТ VD1} +U _{ПР VD2})R₁/R₂ U_вх2 = -( U _{СТ VD2} +U _{ПР VD1})R₁/R₂

Размещено на Allbest.ru