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. Uвых Uвых Uогр Uвх t Uвх Uпор
t Рис.1
Как видно из рисунка, амплитудная характеристика ограничителя существенно нелинейна и имеет характерную точку излома передаточной кривой. При Uвх £ Uпор выходное напряжение пропорционально входному. При Uвх > Uпор выходное напряжение остается на постоянном уровне, называемым верхним уровнем ограничения по выходу - Uогр верх. В общем случае напряжения Uпор и Uогр не равны друг другу.
|
|
Uвых Uвых
Uвх t
Uогр
Uпор
t
Рис.2
На рис.2 приведены аналогичные кривые для ограничителя снизу. Амплитудная характеристика отличается только местом расположения излома на передаточной кривой. Соответственно изменяются соотношения между Uвх и Uпор. При Uвх ³ Uпор выходное напряжение пропорционально входному. При Uвх £ Uпор выходное напряжение остается на постоянном уровне, называемым нижним уровнем ограничения по выходу и ограничения входного сигнала наблюдается внизу.
Uвых Uвых
Uогр верх
t
Uвх
Uогр ниж
Uпор ниж
Uпор верх
t Рис.3
Работа двухстороннего ограничителя поясняется на рис.3. Передаточная характеристика имеет две характерные точки, соответственно, во входном напряжении различаются два пороговых значения: Uпор верх и Uпор ниж, а в выходном – два уровня ограничения - Uогр верх и Uогр верх. Выходное напряжение двухстороннего ограничителя пропорционально входному, если оно находится между двумя пороговыми значениями, т.е.
Uпор ниж ³Uвх ³ Uпор верх
Вне этих пределов выходное напряжение остается постоянным, принимая значения либо Uогр ниж, либо Uогр верх:
Uвых = Uогр верх при Uвх > Uпор верх
Uвых = Uогр ниж при Uвх < Uпор 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). Uвх
|
|
VD
R
» Uвх Uвых
t
а) б)
Рис.3
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 Uогр ниж =0. Для смещения Uогр ниж в отрицательную область следует подать на диод напряжение величиной U см , как показано на рис4а. Тогда при изменении входного напряжения в пределах Uсм <Uвх диод будет открыт, т.к. смещен в прямом направлении и сигнал без изменений будет передаваться в нагрузку. Лишь при Uвх = Uсм напряжение на диоде будет равно нулю, диод закроется, а Uвых повторяет Uсм. VD Uвых R Uвых Uвх _ Uсм» = Uсм + а) б)
Рис.4
Эпюра выходного напряжения показана на рис.4б. Если поменять полярность Uсм на обратную, то при небольшом положительном входном напряжении диод будет заперт и на выходе будет присутствовать постоянное напряжение Uсм. Диод откроется при уровне входного сигнала большем, чем Uсм (Uвх > Uсм) и только в этом случае Uвых = Uвх. Т.о. Uогр ниж оказалось смещено в положительную область (см рис.5б).
Uвых VD R Uвых»Uвх + t = Uсм _ а) б)
Рис.5.
Для одностороннего ограничения сверху необходимо изменить полярность включения диода, как показано на рис.6а.
VD Uвых
R
Uвых
Uвх _ Uпор верх t
» = Uсм
+
а) б)
Рис.6.
Очевидно, что для получения отрицательного Uпор 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 Uсм. Чтобы получить положительное Uпор верх, необходимо изменить полярность Uсм на обратную.
Схему диодного, двухстороннего ограничителя амплитуды легко получить, объединяя исследованные схемы (рис.7а).
VD1 VD2 Uвых
R1 R2 Uпор верх
Uвых t
_ + Uпор ниж
» = Uсм1 = Uсм2
+ _
а) б)
Рис.7
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 Uвых =Uвх.
R Uвых
Rн Uгор верх
VD
Uвх Uвых t
Uсм +
» = _
а) б)
Рис.8
Если Uсм равно нулю, то диод открывается только при положительной полуволне на входе ограничителя. Следовательно, выходное напряжение будет состоять из отрицательных полуволн синусоидального входного напряжения и Uогр верх =0. Для изменения Uогр верх вводят последовательно с диодом постоянное напряжение смещения Uсм. При изменении входного напряжения в пределах Uвх £ Uсм диод будет закрыт, т.к. к диоду приложено обратное напряжение и выходной сигнал будет повторением входного (для простоты пренебрегаем падением напряжения на диоде). При Uвх > Uсм 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.
|
|
R Uвых
VD1 VD2 Uсм1
Uвых
R t
Uвх Uсм1 Uсм2 _ Uсм2
» + = =
_ +
а) б)
Рис.9.
При Uсм2 £ Uвх £ Uсм1 диоды закрыты и ограничение отсутствует, при Uвх < Uсм2 VD2 открыт и Uвых ограничивается снизу на уровне Uсм2, при Uвх > Uсм1 открыт VD1 и Uвых ограничивается снизу на уровне Uсм1.