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.

i_б t

Е_п I_к ТН R₁ R_k C₂ C₁ U_вых

U_вх»

R₂ С_э ТО

R_э U_эк

U_вых

а) б)

Рис.10.

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.

VD1 VD2 U_вых

R₂

R₁ U_VD1 +U_VD2

_О

U_вх

» U_вх

U_вых

а) б)

Рис.11

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.

VD2 VD1

U_вых

R₂

R₁ U _{СТ VD2} +U _{ПР VD1}

О U_вх2

U_вх U_вх1 U_вх

U_вых U _{СТ VD1} +U _{ПР VD2}

а) б)

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