Амплитудные ограничители в электронике: схемы, односторонние, двусторонние

Что такое амплитудный ограничитель?

Различают односторонние и двусторонние амплитудные ограничители.

Односторонний ограничитель — это устройство, напряжение на выходе которого U_вых(t) остается на постоянном уровне U_отp, когда входное напряжение U_вх(f) либо превышает некоторое пороговое значение U_пор (ограничение сверху), либо ниже порогового значения (ограничение снизу). Иначе выходное напряжение повторяет форму входного.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Двусторонние ограничители ограничивают сигнал на двух уровнях.

На рис. 3.79, а приведены передаточная характеристика и графики входного и выходного напряжений для одностороннего ограничителя сверху, на рис. 3.79, б для одностороннего ограничителя снизу, а на рис. 3.79, в — для двустороннего ограничителя.

Диодные ограничители амплитуды

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Наиболее простыми являются ограничители на диодах. Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные. В последовательных ограничителях диод включен последовательно с нагрузкой, а в параллельных — параллельно нагрузке.

Рассмотрим идеализированную схему последовательного диодного ограничителя (рис. 3.80). До тех пор пока входное напряжение меньше Е₀, диод закрыт и U_вых равно E₀. В промежутках времени, когда входное напряжение превышает Е₀ диод открыт и U_вых повторяет U_вх. Таким образом, рассмотренный ограничитель является последовательным диодным ограничителем на положительном уровне снизу.

Практически используемая схема рассмотренного ограничителя приведена на рис. 3.81. Она позволяет регулировать уровень ограничения, сделав одно из сопротивлений R₁ или R₂ переменным. Данную схему можно преобразовать в предыдущую, применив теорему об эквивалентном генераторе. Тогда R_н и Е₀ будут иметь следующие значения:

R_н = R₁/R₂

E₀ = E_R/(R₁ +R₂)

Рассмотрим принцип действия параллельного диодного ограничителя (рис. 3.82). Лишь в промежутках времени, когда входное напряжение более отрицательно, чем Е₀, диод открыт (его при анализе можно заменить закороткой) и U_вых равно Е.

Во все остальные моменты времени диод закрыт (его при анализе можно заменить разрывом цепи) и U_вых повторяет U_вх. Таким образом, данный ограничитель является параллельным диодным ограничителем на отрицательном уровне снизу.

Рассмотрим работу параллельного ограничителя в случае, когда сопротивление нагрузки соизмеримо с ограничителем (рис. 3.83).

Исходная схема (рис. 3.83, а) по теореме об эквивалентном генераторе преобразуется в эквивалентную схему (рис. 3.83, б), в которой ограничивается уже не входное напряжение, а эквивалентное, являющееся результатом деления входного напряжения между сопротивлениями R₀ и R_н,

U_вх.э = U_mR_н / (R_н + R₀)

R_н = R₀|R_н

Диаграммы работы этого ограничителя приведены на рис. 3.84. В момент начала ограничения (t₁) входное напряжение будет соответствовать некоторому напряжению — E₁.

Рассмотрим двусторонний диодный ограничитель (рис. 3.85), который является комбинацией двух параллельных односторонних диодных ограничителей.

Из анализа схемы видно, что диод Д₁ открыт лишь в промежутках времени, когда входное напряжение меньше −E₁ и U_вых на этом промежутке ограничивается на уровне −E₁. Диод Д₂ открыт лишь в промежутках времени, когда U_вх больше, чем Е₂, и в этих промежутках времени U_вых ограничивается уровнем Е₂.

Ограничители амплитуды на операционных усилителях

Широкое распространение нашли ограничители амплитуды, построенные на основе ОУ. Рассмотрим некоторые из них. На рис. 3.86, а приведена схема одностороннего ограничителя на основе ОУ, на рис. 3.86, б — передаточная характеристика ограничителя, а на рис. 3.86, в — временные диаграммы его работы.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Основой данного ограничителя является инвертирующий усилитель на основе ОУ. В промежутках времени, когда напряжение Uвых отрицательное или меньше, чем Uст + Uд, диод закрыт (его при анализе можно заменить разрывом цепи) и устройство работает как обычный инвертирующий усилитель (Uст — напряжение стабилизации стабилитрона, Uд — прямое падение напряжения на диоде).

В промежутках времени, когда напряжение U_вх выше уровня U_ст + U_д, диод открыт, а стабилитрон находится в режиме стабилизации и напряжение U_вых ограничивается на уровне U_ст + U_д. Входное напряжение U₁, при котором начинается ограничение выходного, определяется выражением

U₁= − (U_ст + U_д) / K

K = R₂ / R₁

Рассмотрим двусторонний ограничитель на основе ОУ (рис. 3.87, а).

Если к стабилитрону приложено прямое напряжение, то он выполняет функции диода, и напряжение U_пр на нем достаточно мало (около 0,7 В). Поэтому при положительном выходном напряжении стабилитрон СТ₁ выполняет функции диода, и как только выходное напряжение достигает уровня U_ст2 + U_пр, оно ограничивается на этом уровне (U_ст2 − напряжение стабилизации стабилитрона СТ₂).

При отрицательном выходном напряжении стабилитрон СТ₂ используется как диод. Как только напряжение U_вых достигает значения − (U_ст1 + U_пр), оно ограничивается на этом уровне (рис. 3.87, б) (U_ст1 — напряжение стабилизации стабилитрона СТ₁). Входные напряжения U₁ и U₂, при которых начинаются ограничения, определяются выражениями

U₁ = (U_ст1 + U_пр) / K

U₂ = − (U_ст2 + U_пр) / K

K = R₂ / R₁