Общие сведения. Классификация ограничителей амплитуд.

Ограничитель амплитуды - нелинейный четырехполюсник, срезающий на определенном уровне напряжение, подаваемое на схему.

Назначение ограничителей амплитуды.

Ограничители амплитуды предназначены для формирования импульсов.

Классификация ограничителей амплитуды.

Ограничители амплитуды можно классифицировать по одному, но довольно важному признаку:

По элементной базе:

* диодные;

* транзисторные;

* на операционных усилителях.

Более подробно рассмотрим широко применяемый класс ограничителей амплитуды - диодных ограничителей.

Классификация диодных ограничителей

Диодные ограничители классифицируются по следующим признакам:

По уровню ограничения:

* на нулевом уровне;

* на заданном положительном уровне (сверху, снизу);

* на заданном отрицательном уровне (сверху, снизу);

По схеме:

* односторонние (последовательные, параллельные);

* двухсторонние (последовательные, параллельные);

Условные обозначения.

Устройство.

В состав входят импульсный диод, сопротивление ограничения, дополнительный источник смещения.

Принцип действия

Выходное напряжение будет пропорционально входному до тех пор, пока последнее не станет ниже некоторого уровня (порога ограничения). После этого выходное напряжение остается постоянным, несмотря на изменение входного напряжения. В целом, принцип действия основан на свойстве диодов односторонней проводимости.

При рассмотрении принципа работы ВАХ диода можно аппроксимировать линейно ломанной линией, т.е. заменяя диод активным сопротивлением. При прямом напряжении на диоде (когда p-n переход диода смещен в прямом направлении) сопротивление диода R_{VD пр} будет варьироваться от десятков до сотен Ом (10-100 Ом). При подаче обратного напряжении на диоде (когда p-n переход диода смещен в обратном направлении) сопротивление диода R_{VD обр} будет варьироваться от десятков до сотен кОм (10-100 кОм).

Чем R_{VD пр}<<R_{VD обр}, тем лучше ограничение.

Схемы диодных ограничителей и их функционирование.

Рассмотрим следующие схемы диодных ограничителей:

Последовательная схема:

* ограничение на нулевом уровне;

* ограничение на заданном уровне (сверху, снизу);

* двухстороннее ограничение;

Параллельная схема:

* ограничение на нулевом уровне;

* ограничение на заданном уровне (сверху, снизу);

* двухстороннее ограничение.

2.Последовательные диодные ограничители.

Основным признаком таких схем является последовательное включение полупроводникового диода и сопротивления нагрузки.

Как уже говорилось выше, последовательные схемы диодного ограничителя делятся на схемы:

* ограничения на нулевом уровне;

* ограничения на заданном уровне (сверху, снизу);

* двухстороннего ограничения.

Ограничение на нулевом уровне.

Данные схемы - обычные схемы простейших диодных ключей.

Схема последовательного диодного ограничителя на нулевом уровне.

Функционирование схемы последовательного диодного ограничителя на нулевом уровне.

Функционирование схемы рассмотрим на следующих графиках и переходных характеристиках.

Работа схемы основана на соблюдении равенства R_н>>R. Отсюда следует, что R_вых=R. Тогда напряжение на выходе определяется из следующего выражения:

При положительном знаке входного напряжения, т.е. U₁>0, сопротивление прямо смещенного p-n перехода диода будет во много раз меньше сопротивления нагрузки ограничителя в целом, т.е. R_VDпр<<R. В результате, выходное напряжение будет по амплитуде практически равно входному, U₂=U₁.

В случае, если U₁<0,то R_VDобр>>R, и на выходе напряжение будет отсутствовать (величина выходного напряжения равна произведению сопротивления нагрузки на ток обратно смещенного p-n перехода диода).

При смене полярности включения диода VD все процессы в схеме происходят наоборот.

Последовательная схема ограничения на заданном уровне

Для ограничения на требуемом уровне, отличном от нуля в схему диодного ограничителя вводится источник питания Е_см.

При этом, напряжение на выходе определяется как (каждый со своим знаком):

U_вых=U₂=U_R+Е_см

* Ограничение сверху.

Схема последовательного диодного ограничителя сверху.

Функционирование схемы последовательного диодного ограничителя сверху.

Функционирование схемы рассмотрим на следующих графиках.

Графические зависимости показывают следующее.

В положительный полупериод, когда входное напряжение меньше напряжения смещения U₁<E_см диод открыт. В цепи протекает ток, и выходное напряжение примерно равно входному, т.е. U₂»U₁. В случае, когда U₁³E_см диод запирается и происходит ограничение сверху на уровне E_см..

При отрицательной полуволне входного напряжения диод открыт и выходное напряжение схемы ограничения примерно равно входному напряжению.

Если подать отрицательное смещение на схему, то диод будет открываться при отрицательной полуволне U₁, когда -U₁=-E_см..

 

Ограничение снизу.

Если изменить направление включения диода, и оставить подключенным источник смещения E_см, то получим ограничение снизу на уровне E_см.

Схема последовательного диодного ограничителя снизу.

Функционирование схемы последовательного диодного ограничителя снизу.

Функционирование схемы рассмотрим на следующих графиках.

Физика процессов протекающих в схеме ограничения аналогична предыдущему случаю.

Если подать отрицательное смещение на схему, то диод будет закрываться при отрицательной полуволне U₁, когда -U₁=-E_см..

Схема двухстороннего ограничения.

Схема двухстороннего ограничителя.

Функционирование схемы двухстороннего ограничителя.

Функционирование схемы рассмотрим на следующих графиках.

Полярность источников смещения E_см1 и E_см2 выбираются таким образом, что бы диоды VD1 и VD2 были открыты.

Диодный ограничитель на VD1 ограничивает отрицательную полуволну входного напряжения снизу на уровне -E_см1, так как для отрицательного входного напряжения диод VD2 открыт, а диодный ограничитель на VD2 ограничивает положительную полуволну входного напряжения сверху на уровне +E_см2, так как для положительного входного напряжения диод VD1 прямосмещен.

Характеристики и применение диодных ограничителей будут рассмотрены в конце 3 вопроса лекции.