Ограничители сигнала

Амплитудными ограничителями называются функциональные преобразователи, у которых выходное напряжение по форме совпадает с входным до определенного значения, называемого уровнем ограничения, а по достижении его остается неизменным. Различают ограничители по максимуму (сверху), по минимуму (снизу) и двусторонние. Передаточные характеристики ограничителей приведены на рисунок 6.1.

а б в

а – ограничение по максимуму; б – ограничение по минимуму;

в – двустороннее ограничение

Рисунок 6.1 – Передаточные характеристики ограничителей

Как видно из рисунка 6.1 ограничители могут быть выполнены на элементах, имеющих нелинейную характеристику (причем нелинейность должна быть резко выражена). В зависимости от способа включения нелинейного элемента различают ограничители последовательного и параллельного типа. Работа ограничителей последовательного типа основана на том, что в открытом состоянии элемент подключает нагрузку к источнику сигнала, а в закрытом отключает ее, т.е. ограничение происходит при закрытом диоде. Схемы ограничителей с последовательным включением диодов приведены на рисунке 6.2.

Изменяя величину опорного напряжения U_o, можно регулировать порог ограничения. Момент открытия диода определяется разностью потенциалов между анодом и катодом. В зависимости от соотношения U_вх и U_о реализуются различные типы ограничения.

а б в

г д е

а, б, в – схемы; г, д, е – диаграммы работы ограничителей; а, г – ограничение сверху; б, д – ограничение снизу; в, е – двустороннее ограничение

Рисунок 6.2 – Ограничители последовательного типа на диодах

На рисунке 6.3 приведены схемы ограничителей с параллельным включением диодов. Ограничение происходит в моменты времени, когда диод открыт. Все приращение входного напряжения вызывающее изменение тока в цепи, падает на ограничивающем (балластном) резисторе R₀.

Схемы ограничителей с использованием стабилитронов приведены на рисунке 6.4. В этих схемах без введения дополнительных источников опорного напряжения можно обеспечить ограничение на уровне напряжения стабилизации. Для получения одностороннего ограничения последовательно со стабилитроном включают встречно диод. Для той полуволны, которая ограничивается, диод включен в прямом направлении, а стабилитрон в обратном. Для другой полуволны наоборот.

а б в г

д е ж з

а, б, в, г – схемы; д, е, ж, з – диаграммы работы ограничителей; а, д – ограничение снизу; б, е – ограничение сверху; в, ж – двустороннее ограничение на уровнях U₀₁ и U₀₂; г, з – двустороннее ограничение на уровне U_д.

Рисунок 6.3 – Ограничители параллельного типа на диодах

В области повышенных частот на форму выходного напряжения оказывает влияние барьерная емкость, из-за которой излом характеристики оказывается не таким резким. Поэтому для создания ограничителей коротких сигналов следует применять стабилитроны с малой барьерной емкостью, например 2С175Е, КС182Е, 2С211Е. Для двустороннего ограничения целесообразно использовать двуханодные стабилитроны, например 2С170А, 2С182А.

Простейшие ограничители на диодах имеют ряд недостатков, которые ограничивают их применение в точных устройствах измерительной техники и автоматики. К ним относятся: а) температурная нестабильность уровня ограничения из-за изменения контактной разности потенциала P–N перехода; б) трудности ограничения уровней малых сигналов (соизмеримых с контактной разностью потенциалов); в) изменение уровня ограничения при смене диодов (из-за технологического разброса параметров); г) колебания уровня ограничения в зависимости от величины входного сигнала из-за конечного значения прямого сопротивления диода, которое к тому же зависит от протекающего через диод тока.

а б в

г д е

а, б, в – параллельного типа; г, д, е – последовательного типа

Рисунок 6.4 – Ограничители на стабилитронах

Для улучшения качественных характеристик ограничителей разработано большое число схем с использованием усилителей. Общим принципом построения таких схем является введение нелинейных элементов (диодов, транзисторов, стабилитронов в цепь обратной связи). На рисунке 6.5 приведены схемы ограничителей с использованием ОУ.

Для схемы 6.5а коэффициент передачи при закрытом диоде VD равен:

К₁ = U_вых/U_вх = -(R₂/R₁). (6.1)

Когда диод откроется, коэффициент передачи станет равным:

. (6.2)

Очевидно, что К₂ < К₁. Для улучшения характеристик ограничителя необходимо обеспечить

R₂ > R_отк + R₃, (6.3)

где R_отк – сопротивление диода в открытом состоянии.

а б

в г

д е ж

а, б – ограничитель сверху; в – двусторонний ограничитель; г – ограничитель на уровне нуля; д, е, ж – передаточные характеристики

Рисунок 6.5 – Ограничители на основе ОУ

При выполнении условия (6.3) передаточная характеристика после достижения U_вых1 идет практически горизонтально. Если вместо диода включить биполярный транзистор (рисунок 6.5б), то характеристика ограничителя существенно улучшится, а именно: обеспечивается неизменный уровень выходного напряжения при больших изменениях входного сигнала. При одинаковых приращениях входного напряжения по сравнению со схемой 6.5а выходное напряжение в этой схеме изменяется в (1+h₂₁) раз меньше, так как через R₃ протекает базовый ток транзистора, а он связан с током эмиттера соотношением

DI_э = (1 + h₂₁)DI_б . (6.4)

В схеме (рисунок 6.5г) обеспечивается двухстороннее ограничение с малым значением несимметрии. Это достигается благодаря использованию для обеих полуволн одного стабилитрона VD3, который для обеих полуволн открыт напряжением U_n. Диоды VD1, VD5 или VD2, VD4 открываются, когда входное напряжение достигнет величины U_ст + U_д.

На схеме (рисунок 6.5е) представлен односторонний ограничитель сверху на уровне нуля. При положительном входном напряжении VD1 закрыт, а VD2 открыт. Коэффициент передачи будет равен:

К₁ = - (R₂/R₁). (6.5)

При отрицательном входном напряжении диод VD1 открыт, а VD2 закрыт и коэффициент передачи равен:

К₂ = R_отк/R₁. (6.6)

Так как R_отк < R, то К₂ стремится к нулю. Если необходим ограничитель снизу, то достаточно изменить полярность включения диодов.