4_3_3

Ограничители применяются для придания необходимой формы электрическим сигналам. Например, для формирования импульсов прямоугольной (трапецеидальной) формы из синусоидального напряжения, выделения импульсов одной полярности из разнополярных импульсов, селекции импульсов по амплитуде и т. д.

Ограничители реализуются на диодных и транзисторных ключах.

Упрощенная принципиальная схема электронного ключа показана на рис.4.39,а.

Рис.4.39 Электронный ключ

Электронный ключ выполняет операции включения и выключения различных электрических цепей при подаче управляющих сигналов. Поэтому режим работы ключа характеризуется одним из двух состояний: «включено» - «выключено».

Если ключ разомкнут, то Uвых = Е и I = 0. Это состояние характеризует электронный ключ до момента времени t1, как это показано на временных диаграммах, рис.4.39,б. В замкнутом состоянии ключа Uвых = 0 и I = E/R. В обоих состояниях электронный ключ предполагают идеальным, т. е. сопротивление Rпр замкнутого ключа равно нулю, а разомкнутого Rобр – бесконечности, что практически недостижимо.

Ограничитель представляет собой нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого остается постоянным, когда входное напряжение выше (или ниже) некоторого заданного уровня, который называют порогом ограничения. В первом случае порог ограничения верхний, во втором – нижний, а ограничители называют соответственно ограничителем сверху и ограничителем снизу. В качестве активных нелинейных элементов диодных ключей используют полупроводниковые диоды. Коммутирующее действие таких ключей основано на использовании нелинейных свойств диодов.

По способу включения диода относительно сопротивления нагрузки диодные ключи подразделяют на последовательные и параллельные. В последовательном диодном ключе, схема которого показана на рис.4.40, а, диод включен последовательно с сопротивлением нагрузки.

Аппроксимируя вольтамперную характеристику диода линейно-ломаной линией и принимая Rи = ∞, аналитическое выражение передаточной характеристики ключа (рис.4.40, б) получим в виде:

Uвых = Uвх[R/(R + Rд)],

где Rд – сопротивление диода, а ее угол наклона определяется формулой

α = arctg[l/(l + Rд /R)].

Если на входе ключа действует положительное напряжение (например, положительная полуволна синусоидального напряжения), то диод открыт, его сопротивление в прямом направлении Rд = Rпр << Rи и Uвых ≈ Uвх. При этом α = 45°, а на выходе ключа выделяется напряжение той же полярности и примерно одинаковой амплитуды, что и на входе.

Рис.4.40 Диодные ограничители

При отрицательном входном напряжении (например, отрицательная полуволна синусоидального напряжение) диод закрыт, его сопротивление Rд = Rобр >> R и выходное напряжение Uвых ≈ Uвх(R/Rобр) << Uвх. В этом случае α = α' ≈ 0, а напряжение входного сигнала практически полностью падает на диоде (отрицательная полуволна синусоидального напряжения на выходе отсутствует).

Если в схеме изменить полярность включения диода, то график функции Uвых = Ψ(uвх) повернется на 180°. При этом будут ограничены сигналы положительной полярности.

Параллельный диодный ключ (рис.4.33,в) содержит диод, включенный параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Предполагая Rн = ∞, нетрудно убедиться, что при подаче на вход ключа положительного напряжения диод открывается (ключ замыкается), его сопротивление становится незначительным и напряжение на диоде (следовательно, на выходе ключа) Uвых = 0. Действие отрицательного напряжения на входе ключа приводит к запиранию диода (ключ разомкнут) и Uвых ≈ Uвх, что видно из передаточной характеристики ключа (рис.4.40, г). Для ограничения сигналов отрицательной полярности следует полярность включения диода изменить на обратную.

Рассмотренные схемы последовательных и параллельных диодных ключей позволяют осуществлять одностороннее ограничение однополярных и разнополярных сигналов на нулевом уровне (Uпор = 0). На рис.4.41 показаны графики, поясняющие применение последовательного ключа в качестве ограничителя снизу на нулевом уровне для получения однополярных импульсов из разнополярных, снимаемых с выхода дифференцирующей цепи. В периоды поступления на вход ключа импульсов отрицательной полярности диод смещается в обратном направлении и напряжение импульсов выделяется в основном на большом обратном сопротивлении диода, а Uвых ≈ 0.

Рис.4.41

Уровень порогового напряжения можно изменять (Uпор ≠ 0), если последовательно с резистором или диодом (см. рис.4.40,а,в) включить дополнительно источник смещения Есм.

Для двустороннего ограничения сигналов применяют двусторонние ограничители (двойные диодные ключи). Схема двойного диодного ключа, представляющего собой комбинацию из двух параллельных диодных ключей приведена на рис.4.42,а, двустороннее ограничение синусоидального напряжения с помощью такого ключа показано на рис.4.42,б. Входное синусоидальное напряжение, поступающее на вход двойного ключа, передается на выход, если оно находится в пределах границ, определяемых уровнями смещения первого и второго ключей (соответственно Есм1 и Есм2).

Рис.4.42 Двухсторонний диодный ограничитель

При превышении уровнем сигнала данных границ Uвых = 0. Напряжение на выходе ключа имеет, таким образом, форму импульсов, близких к прямоугольным.

В отличие от диодных ключей, у которых вход и выход непосредственно связаны между собой, транзисторные ключи позволяют осуществить разделение управляющей (входной) и управляемой (выходной) цепей, что часто необходимо на практике. Кроме того, транзисторные ключи обладают усилительными свойствами, а следовательно, возможностью получения прямоугольных импульсов с крутыми фронтами из синусоидального напряжения небольшой амплитуды.