8.3. Ограничители и фиксаторы уровня

Ограничителем называют четырехполюсник, на выходе которого напряжение не изменяется, когда входное напряжение превышает некоторое пороговое значение (ограничение сверху), принимает значение ниже порогового (ограничение снизу) или превосходит пределы пороговых уровней (двухстороннее ограничение) [54]. Таким образом, ограничитель является нелинейным четырехполюсником, обладающим в идеальном случае линейно-ломаной характеристикой.

Для ограничения сигналов по амплитуде применяются ключевые элементы — диодные и транзисторные ключи на дискретных или интегральных компонентах (при использовании транзисторных ключей наряду с ограничением можно получить и усиление сигналов).

Основными характеристиками ограничителей являются: стабильность положения точек излома их характеристик, постоянство выходного напряжения в области ограничения, линейность схемы в области пропускания (вне области ограничения), коэффициент передачи (отношение приращений выходного и входного напряжений) в области ограничения и в области пропускания.

При ограничении импульсов возможно растягивание фронтов из-за переходных процессов в ограничителе, связанных с перезарядом паразитных емкостей, а также с инерционностью электронных приборов.

Диодные ограничители в зависимости от способа включения диода бывают последовательными и параллельными.

Схемы последовательных диодных ограничителей показаны на рис. 8.18, на котором обозначено: Ui —напряжение источника входного сигнала с внутренним сопротивлением Ri; Uo — выходное напряжение ограничителя; Rn — сопротивление нагрузки; Ео — напряжение источника опорного напряжения; Rl, R2, El, E2 — сопротивления нагрузок и источников опорного напряжения двухстороннего ограничителя соответственно; VD, VD1, VD2 — ограничивающие диоды. На этапе описания принципов работы диодных ограничителей примем падение напряжения на открытых диодах равными нулю (при дальнейших расчетах это ограничение будет снято).

В схеме на рис. 8.18, а в исходном состоянии диод VD открыт. Когда на вход подается сигнал положительной полярности, он передается на выход до тех пор, пока не достигнет значения Ео, после чего диод закрывается и передача сигнала на вы ход ограничителя прекращается. Таким образом, рассматриваемый ограничитель пропускает только сигналы, которые меньше напряжения Ео.

В схеме на рис. 8.18, б в исходном состоянии диод VD закрыт. Когда на вход подается сигнал положительной полярности, он не передается на выход ограничителя до тех пор, пока не достигнет значения Ео, после чего диод открывается и верхняя часть входного сигнала поступает на выход ограничителя. Таким образом, рассматриваемый ограничитель пропускает только те сигналы, которые больше напряжения Ео.

Из рис. 8.18, в нетрудно видеть, что двухсторонний ограничитель является комбинацией ограничителей сверху и снизу. Для этого ограничителя выбирается Е2>Е1, т.е. в исходном состоянии диод VD2 открыт, а диод VD1 закрыт. Когда на вход подается сигнал положительной полярности, он не передается на выход ограничителя до тех пор, пока не достигнет значения Е1, затем диод VD1 открывается и сигнал поступает на выход ограничителя до тех пор, пока входной сигнал не достигнет уровня Е2, после чего диод VD2 закрывается и прохождение сигнала на выход ограничителя прекращается. Таким образом, рассматриваемый ограничитель пропускает только те сигналы, которые больше напряжения Е1, но меньше Е2.

Схемы параллельных диодных ограничителей показаны на рис. 8.19, где Ro — сопротивление ограничительного (балластного) резистора, остальные обозначения совпадают с обозначениями на рис. 8.18.

В схеме на рис. 8.19, а в исходном состоянии диод VD открыт. Когда на вход подается сигнал положительной полярности, он вследствие падения напряжения на резисторе Ro не поступает на выход до тех пор, пока не достигнет значения Ео, после чего диод закрывается и сигнал поступает на выход ограничителя. Таким образом, рассматриваемый ограничитель пропускает только сигналы, которые больше напряжения Ео.

В схеме на рис. 8.19, б в исходном состоянии диод VD закрыт. Когда на вход подается сигнал положительной полярности, он передается на выход ограничителя до тех пор, пока не достигнет значения Ео, после чего диод открывается и пропускание сигнала на выход ограничителя прекращается вследствие шунтирующего действия открытого диода. Таким образом, рассматриваемый ограничитель пропускает только те сигналы, которые меньше напряжения Ео.

Из рис. 8.19, в нетрудно видеть, что двусторонний ограничитель, как и случае последовательных ограничителей, является комбинацией ограничителей, сверху и снизу. Для такого ограничителя выбирается Е2>Е1, при этом в исходном состоянии диод VD1 открыт, а диод VD2 закрыт. Когда на вход подается сигнал положительной полярности, он не передается на выход ограничителя до тех пор, пока не достигнет некоторого эквивалентного уровня Е1е, затем диод VD1 закрывается и сигнал поступает на выход ограничителя до тех пор, пока входной сигнал не достигнет эквивалентного уровня Е2е, после чего диод VD2 открывается и прохождение сигнала на выход ограничителя прекращается. Таким образом, рассматриваемый ограничитель пропускает только те сигналы, которые больше напряжения Е1е, но меньше Е2е.

Перейдем к моделированию ограничителей. На рис. 8.20, а показана схема последовательного ограничителя с ограничением сверху с контрольно-измерительными приборами (в том числе вольтметр для измерения эффективного значения переменной составляющей выходного сигнала Uo). Из осциллограмм для этого ограничителя видно (см. рис. 8.20, б), что ограничение сверху действительно имеет мес то на уровне Ео=2 В, но суммарный выходной сигнал имеет пьедестал, обусловленный падением напряжения на открытом диоде.

Поскольку амплитуда сигнала равна 1,36 В, падение напряжение на диоде Ud=0,64 В. В таком случае с учетом внутреннего сопротивления Ri источника входного сигнала выходное напряжение ограничителя для переменной составляющей может быть записано следующим образом:

(8.7)

При Ri=Rn=l кОм получаем Uo=(2-0,64)[1000/(1000+1000)]=0,68 В (эффективное значение 0,34 В), что подтверждается показаниями вольтметра на рис. 8.20, в.

Рассмотрим теперь схему параллельного диодного ограничителя с ограничением сверху, показанную на рис. 8.21, а. Из показаний вольтметра и осциллограмм на рис. 8.21 видно, что ограничение сигнала происходит при напряжении Eo+Ud и выходной сигнал можно описать простой формулой:

Uo=Eo+Ud. (8.8)

Для параллельного двухстороннего ограничителя, схема которого показана на рис. 8.22, а, результаты осциллографических измерений приведены на рис. 8.22, б. Из анализа данных на рис. 8.22 следует, что ограничение снизу наступает при напряжении El-Ud, а сверху — при E2+Ud, т.е. выходное напряжение ограничителя равно Uo=E2-El+2Ud=2-l,5+2-0,64=1,78 В. Эффективное значение выходного напряжения равно 0,89 В, что совпадает с показаниями вольтметра на рис.8.22, б.

В заключение перейдем к анализу последовательного двухстороннего ограничителя, схема которого показана рис. 8.23, а. Особенностью этого ограничителя является то, что в формировании напряжения ограничения принимает участие не только источник Е1, но и источник Е2, поскольку диод VD2 открыт вплоть до достижения входным напряжением уровня Е2. Рассматривая контур E1-R1-VD2-R2-E2, нетрудно подсчитать, что в исходном состоянии напряжение в точке А определяется выражением:

(8.9)

где Ud" — падение напряжения на открытом диоде VD2.

В момент открывания диода VD1 к этому напряжению необходимо добавить падение напряжения Ud' входного сигнала на диоде VD1, т.е. эквивалентное напряжение ограничения снизу равно

(8.10)

Принимая Ud'= Ud"= 0,64 В и используя данные рис. 8.23, а, получим Е1е=1+(3-1-0,64)1/2+0,64=2,32 В.

Проверим полученный результат с помощью осциллографических измерений, представленных на рис. 8.23, б, откуда видно, что результаты расчета практически совпали с результатами моделирования. Из той же осциллограммы видно, что напряжение ограничения сверху равно Е2, т.е. амплитуда переменной составляющей выходного сигнала равна Uo=E2-Ele=3-2,32=0.68 В, его эффективное значение составляет 0,34 В и практически совпадает с показаниями вольтметра на рис. 8.23, а.

Отметим интересную особенность рассматриваемого ограничителя — слабую зависимость выходного напряжения от внутреннего сопротивления источника входного напряжения, особенно в области значений Ri<R2, где она вообще не наблюдается, что и подтверждается результатами моделирования при Ri=R2, показанными на рис.8.23,в.

Из сравнения показаний вольтметров на рис. 8.23 видно, что они полностью совпадают. Объясняется это тем, что начиная с момента перехода диода VD1 в открытое состояние и до перехода в закрытое состояние диода VD2 в схеме действуют условия, которые описываются выражениями (8.9) и (8.10) и которые выполняются автоматически за счет встречного включения диодов и нелинейности их характеристик: изменение тока через диод VD1, обусловленное изменением Ri, приводит к из менению противоположно направленного тока от источника Е2 и перемещению рабочей точки диода VD2 таким образом, чтобы потенциал точки А оставался неизменным в процессе формирования плоской части вершины выходного импульса.

Фиксаторы уровня являются одним из применений диодных ограничителей. Во многих радиоэлектронных устройствах, в частности, в многокаскадных усилителях используются межкаскадные RC-цепи. При входном периодическом напряжении разделительный конденсатор такой цепи заряжается в стационарном режиме до уровня, определяемого постоянной составляющей входного сигнала. Если сигнал симметричен, то его постоянная составляющая равна нулю и среднее значение напряжения на конденсаторе также равно нулю. Это имеет место только при условии, когда заряд конденсатора в течение одной части периода и его разряд в течение другой части происходят с одной и той же постоянной времени.

Если сигнал передается через разделительный конденсатор на нелинейное устройство, в частности, на рассмотренный выше ограничитель, то сопротивления цепей заряда и разряда оказываются неодинаковыми. При этом разделительный конденсатор зарядится в установившемся режиме до некоторого постоянного напряжения даже при отсутствии постоянной составляющей входного сигнала и напряжение на конденсаторе явится дополнительным напряжением смещения, которое изменит уровень ограничения или режим по постоянному току. Такое явление называется динамическим смещением в отличие от статического смещения, задаваемого соответствующими элементами выбора рабочей точки.

Во многих практических случаях, например, в видеоусилителях телевизионных приемников приходится принимать специальные меры для уменьшения динамического смещения. При этом наиболее простым схемотехническим решением является использование диодных ограничителей.

Контрольные вопросы и задания

1. Подготовьте для моделирования схему последовательного диодного ограничителя с ограничением снизу (по аналогии со схемой на рис. 8.20, а). По результатам моделирования составьте выражение для расчета выходного напряжения, аналогичное (8.7).

2. Подготовьте для моделирования схему параллельного диодного ограничителя с ограничением снизу (в качестве аналога возьмите схему на рис. 8.21, а) и проведите ее исследование. Составьте выражение для расчета выходного напряжения, аналогичное (8.8).

3. С помощью схемы на рис. 8.23, а исследуйте зависимость выходного напряжения последовательного двухстороннего ограничителя от внутреннего сопротивления источника входного напряжения.

4. Для каких целей используются фиксаторы уровня?