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. U_вых U_вых U_огр U_вх t U_вх U_пор

t Рис.1

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.

U_вых U_вых

U_вх t

U_огр

U_пор

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 U_вх и U_пор. При U_вх ³ 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.

U_вых U_вых

U_{огр верх}

t

U_вх

U_{огр ниж}

U_{пор ниж}

U_{пор 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: 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.

U_{пор ниж} ³U_вх ³ 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). U_вх

VD

R

_» U_вх U_вых

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 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. VD U_вых R U_вых U_вх _ U_см» = U_см + а) б)

Рис.4

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).

U_вых VD R U_вых»U_вх + t = U_см _ а) б)

Рис.5.

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

VD U_вых

R

U_вых

U_вх _ U_{пор верх} t

» = U_см

+

а) б)

Рис.6.

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).

VD1 VD2 U_вых

R1 R2 U_{пор верх}

U_вых t

_ + U_{пор ниж}

» = U_см1 = U_см2

+ _

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 U_вых =U_вх.

R U_вых

R_н U_{гор верх}

VD

U_вх U_вых t

U_см +

» = _

а) б)

Рис.8

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.

R U_вых

VD1 VD2 U_см1

U_вых

R t

U_вх U_см1 U_см2 _ U_см2

» + = =

_ +

а) б)

Рис.9.

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.