Усилители-ограничители

????????? ?? http://www.allbest.ru/

????????? ?? http://www.allbest.ru/

Усилители-ограничители

Усилитель-ограничитель при малых входных сигналах работает как линейный усилитель, но если напряжение на входе превысит установленный предел, то он переходит в нелинейный режим, и на его выходе поддерживается постоянный уровень напряжения. Вообще говоря, любой усилитель при достаточно больших входных напряжениях переходит в режим ограничения, однако при этом величина ограниченного выходного напряжения определяется выходным каскадом усилителя и напряжением источника питания и не может быть задана произвольно. К тому же быстродействие усилителя в режиме ограничения получается низким, так как в этом режиме происходит насыщение транзисторов выходного каскада усилителя. Поэтому в усилителе-ограничителе уровень ограничения устанавливается ниже уровня ограничения собственно усилителя, для чего в цепь отрицательной обратной связи ОУ включаются нелинейные элементы.

Поскольку напряжение в узле 1, как указывалось ранее, близко к нулю, падение напряжения на элементах цепи обратной связи равно выходному напряжению, т.е. . Поэтому уровни ограничения выходного напряжения () будут определяться такими значениями , при которых образуется низкоомная цепь из открытых p-n_переходов:

соответственно для схем на рис. 3.9, а, б и в.

Если модуль мгновенного значения выходного напряжения , то усилитель-ограничитель работает в линейном режиме с коэффициентом усиления , поскольку в схемах рис. 3.9, б и в закрыты все диоды, а в схеме рис. 3.9, а закрыт, по крайней мере, один из встречно-последовательно включенных стабилитронов. При положительном выходном напряжении в схеме рис. 3.9, а пробивается стабилитрон , в схеме рис. 3.9, б открывается диод , а в схеме рис. 3.9, в открываются диоды и . Поскольку напряжения на диффузионном участке ВАХ и участке электрического пробоя слабо зависят от тока, напряжение , а значит, и напряжение в режиме ограничения мало изменяются при изменении , что иллюстрирует график передаточной характеристики 1 на рис. 3.10.

Схема рис. 3.9, а уступает схеме рис. 3.9, б в быстродействии, поскольку паразитная емкость стабилитрона () в десятки раз больше емкости диода, к тому же сопротивление закрытого стабилитрона значительно меньше соответствующего сопротивления диода, что не позволяет в схеме рис. 3.9, а использовать резистор с сопротивлением больше 100 кОм, но в схеме рис. 3.9, б низкий, причем нерегулируемый, порог ограничения. Указанных недостатков лишена схема рис. 3.9, в, так как здесь требуемый порог ограничения можно устанавливать путем выбора того или иного типа стабилитрона , а паразитная емкость стабилитрона не сказывается на быстродействии усилителя, поскольку она не перезаряжается и, к тому же, включена последовательно с малыми емкостями диодов. Резисторы и () позволяют задать такую рабочую точку стабилитрона, в которой не только малое дифференциальное сопротивление, но и требуемый температурный коэффициент напряжения, равный по модулю температурному коэффициенту двух последовательно включенных диодов, что значительно повышает температурную стабильность напряжения .

Однако и в этой схеме, как и в двух других, изображенных на рис. 3.9, выходное напряжение в режиме ограничения не остается постоянным - оно несколько увеличивается с ростом входного напряжения, что объясняется формой вольт-амперных характеристик диодов и стабилитронов. Резкий переход от линейного участка передаточной характеристики к нелинейному, а также постоянный уровень ограничения в широком диапазоне изменения амплитуды входного сигнала имеет прецизионный усилитель-ограничитель, схема которого приведена на рис. 3.11. В этой схеме уровни ограничения задаются источниками опорного напряжения и . Если положительное выходное напряжение меньше , а модуль отрицательного выходного напряжения меньше , то на выходе ОУ1 действует большое отрицательное, а на выходе ОУ2 - большое положительное напряжение, под действием которых диоды и закрыты, а усилитель-ограничитель работает в линейном режиме с коэффициентом усиления . Если же выходное напряжение достигнет уровня , то усилитель ОУ1 переходит в режим линейного усиления, и на его выходе будет действовать напряжение соответствующей полярности, смещающее диод в прямом направлении, в результате чего образуется очень глубокая отрицательная обратная связь, охватывающая усилитель ОУ3 и усилитель ОУ1. Поскольку при глубокой отрицательной обратной связи напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах операционного усилителя одинаковы с высокой точностью, имеет место строгое соответствие между напряжениями ограничения и опорными напряжениями: , . Используя стабилизированные и термокомпенсированные источники опорного напряжения, можно достичь высокой стабильности уровней ограничения. В рассматриваемой схеме также легко реализуется несимметричная передаточная характеристика за счет задания разных по модулю напряжений и .

Логарифмические преобразователи

Логарифмическая зависимость между выходным и входным напряжениями реализуется, если в схему преобразователя напряжение-ток вместо включить p-n_переход, как показано на рис. 3.12.

В схемах с диодом и с транзистором в диодном включении выражение выходного напряжения, учитывая зависимость, можно записать в таком виде:

,

где приближенное выражение получено при условии , ограничивающем снизу величину входного тока. Поэтому, учитывая реальные значения теплового тока высококачественных полупроводниковых приборов, можно говорить о входных токах А. Поскольку, как это следует из, напряжение в узле 1 равно нулю, ток , с учетом чего окончательное выражение выходного напряжения примет вид

.

В схеме на рис. 3.12, в входной ток связан с напряжением на эмиттерном p-n_переходе () следующей зависимостью:

,

где . Поскольку , выходное напряжение в схеме рис. 3.12, в с гораздо большей точностью, чем в схемах рис. 3.12, а и б, описывается выражением

,

поэтому и диапазон входных токов в этой схеме шире: А.

Верхняя граница диапазона входных токов рассмотренных схем ограничивается чаще всего одним миллиампером (А), что связано с ростом ошибки логарифмирования за счет падения напряжения на сопротивлении диода при протекании через базу тока , так как падение напряжения входит в выходное напряжение в виде добавки к логарифмической составляющей.

Приведенные на рис. 3.12 схемы логарифмических усилителей работают при положительной полярности входных напряжений . Для работы с отрицательными входными напряжениями необходимо в этих схемах применить транзисторы другого типа проводимости, а в схеме рис. 3.12, а - изменить полярность подключения диода к схеме.

Указанные ранее нижние пределы диапазона входных токов достижимы только в случае, если операционный усилитель имеет достаточно малые значения напряжения и тока смещения (), иначе это приведет к заметной ошибке логарифмирования. Однако наиболее существенные ошибки возникают, как это видно из, из-за температурной зависимости тока и напряжения . Для ослабления влияния температурной зависимости выходное напряжение ЛУ формируется в виде разности напряжений на двух идентичных p-n_переходах. Одна из возможных схем термокомпенсированного ЛУ приведена на рис. 3.13, где собственно логарифмический усилитель выполнен на элементах ОУ1, и , а на элементах ОУ2, , выполнена схема термокомпенсации ( - идентичные транзисторы). Резистор исключает перегрузку операционного усилителя ОУ1 малыми сопротивлениями транзисторов со стороны их эмиттеров. Резистивный делитель в петле отрицательной обратной связи усилителя ОУ2 выбирается низкоомным, чтобы напряжение на резисторе () определялось только сопротивлениями и как можно меньше зависело от сопротивления транзистора со стороны его базы:

.

С другой стороны, напряжение является разностью двух напряжений на эмиттерных переходах транзисторов, т.е. , где, согласно,

.

терморезистор усилитель ограничитель напряжение

Поскольку оба операционных усилителя охвачены отрицательными обратными связями и на их неинвертирующих входах нулевые напряжения, нулевыми будут и напряжения на инвертирующих входах ОУ, поэтому

.

Таким образом, выходное напряжение термокомпенсированного логарифмического усилителя

не зависит от тепловых токов, что значительно снижает температурную погрешность. Дальнейшее снижение температурной зависимости выходного напряжения ЛУ связано с нейтрализацией влияния за счет включения в цепь обратной связи терморезистора.

Размещено на Allbest.ru