IX. ОГРАНИЧИТЕЛИ АМПЛИТУДЫ СИГНАЛОВ

Назначение ограничителей амплитуды сигналов состоит в устранении паразитной амплитудной модуляции при приеме ЧМ и ФМ сигналов.

Ограничитель амплитуды сигналов состоит из безынерционного нелинейного элемента, являющегося ограничителем мгновенных значений, и резонансного фильтра, выделяющего спектральную зону выходного процесса в области центральной частоты входного сигнала.

В ограничителе амплитуды сигналов практически не происходит изменение формы высокочастотного заполнения входного амплитудно–частотного модулированного квазигармонического колебания. В идеальном случае оно превращается в частотно–модулированное колебание с сохранением закона частотной модуляции и устранением паразитной амплитудной модуляции.

Амплитудная характеристика ограничителя амплитуды (ОА) сигналов имеет вид (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Амплитудная характеристика ограничителя амплитуды

При достижении амплитудой входного сигнала порогового уровня U_вх1 коэффициент передачи ОА резко падает. При изменении входного сигнала в пределах амплитуда напряжения изменяется в сравнительно узких пределах .

Качество работы ОА можно характеризовать коэффициентом ограничения:

.

(9.1)

При амплитудно–модулированном входном сигнале под коэффициентом ограничения часто понимают отношение глубины модуляции на входе и выходе, т.е.

.

(9.2)

Из приведенных определений К_огр. следует, что улучшить качество ограничения можно:

– либо за счет снижения порога ограничения U_вх1;

– либо за счет увеличения коэффициента усиления при U_вх<U_вх1.

Отсюда следует возможность увеличения коэффициента ограничения за счет каскадного соединения нескольких ОА. Легко видеть, что при этом

.

(9.3)

Для создания ОА обычно используют эффекты насыщения и отсечки тока в транзисторах, а также шунтирующее действие диодов, внутреннее сопротивление которых зависит от амплитуды приложенного напряжения.

9.1 Транзисторные ограничители амплитуды сигналов

Схема такого ограничителя не отличается от схемы обычного резонансного усилителя. Однако для придания транзистору более четко выраженных нелинейных свойств напряжение на коллекторе снижено по сравнению с нормальным значением. Напряжение на базе также меньше нормального.

Сопротивление термостабилизации отсутствует, так как за счет этого сопротивления осуществляется отрицательная обратная связь. При этом за счет этой обратной связи будет смещаться рабочая точка при изменении амплитуды входного сигнала, что препятствует созданию перегрузочного режима и приводит к ухудшению ограничительных характеристик ОА (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Принципиальная схема транзисторного ограничителя сигналов

Потенциал базы должен быть жестко фиксирован пропусканием значительного тока через базовый делитель R_Б1, R_Б2.

Работа ограничителя сигналов легко поясняется на базе выходных характеристик транзистора (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Выходные характеристики транзистора

1 – нагрузочная характеристика по постоянному току, проведенная под углом , 2 – нагрузочная характеристика по переменному току, проведенная под углом , где R_эк – эквивалентное сопротивление нагрузочного контура.

Если амплитуда входного напряжения такова, что превышает размах, ограниченный стрелками на приведенной характеристике 2, то начинается отсечка коллекторного тока снизу и насыщение сверху. При этом на характеристиках показана форма тока, ограниченная как сверху, так и снизу.

При увеличении амплитуды входного напряжения угла отсечки и насыщения увеличиваются, а амплитуда первой гармоники коллекторного тока стремиться к величине:

,

(9.4)

где I - размах импульсов коллекторного тока.

Пороги ограничения для транзисторного ОА обычно имеют порядок десятых долей вольта. Используя схему дифференциального усилителя, характерную для современных микроэлектронных аналоговых узлов, можно построить ОА, в которых ограничение тока происходит только за счет отсечки, так как в таких схемах применяются токостабилизирующие транзисторы в цепи эмиттера первого каскада.

Также возможно построение ограничителей амплитуды на полевых транзисторах. В таких ограничителях используется детектирующее действие цепи затвора, так как в схемах на полевых транзисторах типа МОП (металл–окись–полупроводник) или МДП (металл–диэлектрик–полупроводник) ток затвора практически равен нулю. При этом для создания смещения применяется отдельный детектор (диод и нагрузка), за счет чего изменяется положение рабочей точки.

Коэффициент ограничения на один каскад ОА обычно имеет порядок 10 ¸ 30 дБ.

Постоянная времени RC–цепи должна удовлетворять обычным требованиям:

,

(9.5)

где Т_W, Т_w – периоды частоты модуляции и несущей частоты.

Во всех схемах ОА следует применять высокочастотные транзисторы с малыми проходными емкостями для исключения просачивания сигнала непосредственно на выход. Это особенно необходимо при больших коэффициентах ограничения.

9.2 Диодные ограничители амплитуды сигналов

Диоды широко используются в ограничителях мгновенных значений сигналов, благодаря своему свойству резко изменять сопротивление при переходе от закрытого состояния к открытому. Они с успехом могут быть применены к ограничителям амплитуды при параллельном или последовательном соединении с нагрузочным контуром усилительного каскада. С точки зрения введения запирающего напряжения удобнее параллельная схема диодного ОА. Пример такой схемы приведен на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Принципиальная схема диодного ограничителя амплитуды

Параллельно нагрузочному контуру включены диоды VD1 и VD2, запертые одинаковыми напряжениями смещения Е_см1 и Е_см2. При положительной полуволне отпирается диод VD1, а при отрицательной – VD2. Углы отсечки токов при этом одинаковы и равны. Таким образом, после превышения сигналом порогового значения, определяемого напряжением смещения, рост выходного напряжения резко замедляется с повышением напряжения на входе. Отметим, что в перегрузочном режиме обычные усилительные каскады становятся ограничителями амплитуды сигналов, но при этом изменяется полоса пропускания, что необходимо учитывать при проектировании приемных устройств. Основным недостатком диодных ограничителей амплитуды сигналов является то, что изменяется его полоса пропускания за счет шунтирующего действия диодов. Следует отметить, что в ряде случаев в указанной схеме можно обойтись одним диодом, при этом характеристики ограничения изменяются незначительно. В основном переход к одному диоду в ограничителе сказывается в основном на диапазоне ограничения.