Диодные амплитудные ограничители
Простейшим ограничителем амплитуды является диодный [1]. Для его осуществления параллельно нагрузочному колебательному контуру последнего каскада усилителя напряжения промежуточной частоты включаются диоды, на аноды которых подается небольшое запирающее напряжение U3. Когда амплитуда сигнала на колебательном контуре меньше запирающего напряжения, диоды закрыты и усилитель работает нормально. В случае превышения амплитуды сигнала над запирающим напряжением диоды открываются и шунтируют колебательный контур, уменьшая усиление и стабилизируя выходное напряжение каскада. Чем больше сигнал, тем меньше внутреннее сопротивление диодов и меньше усиление. На рис. 1–3 приведен вариант схемы подобного ограничителя амплитуды. Здесь резистор R1 используется как сопротивление коллекторного фильтра и, кроме того, с него снимается запирающее напряжение UЗl для первого диода. Положительный потенциал этого напряжения через контурную катушку подводится на катод диода, а отрицательный – непосредственно к аноду. Для второго диода запирающее напряжения UЗ2 снимается с резистора R2, который вместе с резистором R3 образует делитель напряжения.
Существенным недостатком диодного ограничителя является то, что при открытых диодах увеличивается эквивалентное затухание колебательного контура и ухудшается избирательность каскада. Запирающее напряжение в рассматриваемой схеме обычно берется равно 0,7–1 В, а пороговое напряжение на 0,2 В больше. Выходное напряжение ОА в рабочей точке превышает пороговое на 0,15–0,25 В. Коэффициент ограничения диодного ограничителя составляет 20–30 дБ.
Рисунок 1.3 – Структурная схема диодного ограничителя
Транзисторные амплитудные ограничители
Существует несколько разновидностей транзисторных АО: простейшие, с двумя транзисторами и общим RЭ, с переменным смещением [2].
Простейший транзисторный амплитудный ограничитель
Простейший транзисторный АО. Такой АО аналогичен обычному транзисторному усилителю. В отличие от усилителя транзистор АО работает в нелинейном режиме, для этого коллекторное напряжение Е берут несколько меньше, чем в обычном усилителе; напряжение (Uвх имеет достаточно большую амплитуду. На выходных характеристиках транзистора iк=F (Uкэ) (рис. 1.4) построена динамическая характеристика переменного тока (нагрузочная прямая), угол наклона которой определяется сопротивлением Rэкв контура. При большой амплитуде U вхнаступает двусторонняя отсечка коллекторного тока, вызванная наличием областей запирания и насыщения. При этом ток iк оказывается ограниченным по максимуму и по минимуму; резонансный контур выделяет первую гармонику коллекторного тока. При Uвх < Uпор ток iк не имеет отсечки и напряжение Uвых растет пропорционально U вх; при Uвх > Uпор появляется отсечка тока i к, рост амплитуды первой гармоники коллекторного тока замедляется с увеличением Uвх, что обеспечивает в определенных пределах постоянство напряжения Uвых.
Рисунок 1.4 – Иллюстрация принципа работы транзисторного АО на основе выходных характеристик транзистора
1.3.2 Амплитудный ограничитель двумя транзисторами и общим RЭ
Принципиальная схема АО с двумя транзисторами и общим RЭ приведена на рис. 1.4.
Рисунок 1.4 – Структурная схема АО с двумя транзисторами и общим RЭ
Напряжение на выходном контуре АО определяется первой гармоникой выходного тока i2 транзистора Т2. Диаграммы тока i 2 при различных уровнях входного напряжения (напряжения на базе транзистора T 1) показаны на рис. 1.5. Если U вх = 0, то выходной ток i2 = i 20; обычно транзисторы Т 1 и Т 2 и режимы их работы выбираются одинаковыми, поэтому i 20 =i 10 – Ток i 20 зависит от начального режима работы транзисторов. Предположим, что напряжение U вх возрастает, т.е. положительный потенциал на базе транзистора Т 1 увеличивается. Это вызывает под-запирание транзистора Т 1, при этом его эмиттерный ток i 1 уменьшается, а следовательно, снижается и напряжение Uэ = RЭ (i Эl + i Э2). Так как это напряжение является запирающим для транзисторов T 1и Т 2, то его уменьшение вызывает большее отпирание транзистора Т2, а следовательно, увеличение токов i Э2и i 2. Ток i Э2 возрастает до тех пор, пока напряжение Uвх не закроет транзистор T 1; при этом i2 = i 2max. Далее при любом увеличении Uвх и положительного потенциала на базе Т1 (транзистор Т1 закрыт) ток i2 не меняется и поддерживается равным i 2max.Ток i2 при закрытом транзисторе Т1 – ток в рабочей точке, определяемый сопротивлениями резисторов R3, R4 и RЭ.
Рисунок 1.5 – Иллюстрация принципа работы АО с двумя транзисторами и общим RЭ
Предположим теперь, что напряжение Uвх уменьшается относительно нуля, т.е. на базу транзистора Т1 подается отрицательный потенциал. При этом ток i Эl и напряжение U Эувеличиваются, транзистор Т2 подзапирается, ток iЭ2 уменьшается; при некотором отрицательном потенциале на базе Т1 транзистор Т 2 полностью запирается и ток i 2 уменьшается до нуля. Далее как бы ни увеличивался отрицательный потенциал на базе Т1 транзистор Т1 открыт, транзистор Т2 закрыт и ток i2 = 0. Если амплитуда U вх < Е (рис. 1.5), то ток i2, а следовательно, и напряжение U вых линейно зависят от U вх. Если U вх > Е, то появляется двусторонняя отсечка тока i2, амплитуда первой гармоники тока i 2 увеличивается значительно медленнее роста U вх. При U вх >> Е ток i 2по форме представляет собой прямоугольные импульсы с почти постоянной амплитудой первой гармоники тока. Все это определяет вид АХ ограничителя, показанный на рис. 1.6. На АХ при U вх = Е напряжение на выходе равно U вых0 = 0,5i2maxR экв, где R экв– эквивалентное сопротивление выходного контура.
Рисунок 1.5 – Амплитудная характеристика АО с двумя транзисторами и общим RЭ