Ограничители

Ограничителями называются схемы, выходное напряжение которых не может превышать определенную величину. Входной и выходной сигналы ограничителя показаны на рис. 6.

В показанных здесь простых схемах ограничение выходного напряже­ния ОУ или другого подобного устройства осуществляется с помощью стабилитрона или обычного диода. Следует соблюдать осторожность при использовании подобных схем, поскольку выходной ток ОУ при ограни­чении сигнала максимален. Это значит, что ОУ должен выдерживать короткое замыкание на выходе в течение неограниченного времени и при максимальной рабочей температуре. Кроме того, параметры фиксирующих диодов должны быть такими, чтобы они сами не оказались выведенными из строя максимальным током источника сигнала.

В схеме на рис. 6, а для установки положительного и отрицательного уровня ограничения применяются два встречно включенных стабилитрона. Схема на рис. 6, б предназначена для ограничения только отрицательных напряжений, поэтому один из стабилитронов заменен на обычный диод. Наконец, в схеме на рис. 6, в стабилитроны исключены вовсе; при этом источники напряжений ограничения U₁ и U₂ должны быть способны поглотить предельный выходной ток ОУ, который обычно составляет несколько десятков миллиампер.

а б в

Рис. 6. Простейшие схемы ограничителей и диапазон их выходных

напряжений: а – двусторонний на стаби­литронах,

б – односторонний на стабилитроне,

в – диодная фиксация на заданных уровнях;

U_D – прямое падение напряжения на диоде (~ 0,7 В для кремниевых диодов); U_ст1, U_ст2 – напряжение стабилизации диодов; U₁, U₂ – напряжение фиксации

Для ограничения входного тока фиксатора последовательно с источником сигнала можно включить резистор (рис. 7). Сопротивление резистора R должно быть выбрано таким, чтобы источник сигнала входил в насыщение по выходному напряжению, а не в режим ограничения тока; выбирать резистор R нужно с учетом рассеиваемой мощности.

Рис. 7. Включение резистора для ограничения тока

 

Эффективное ограничение можно обеспечить в схемах с инвертирующим включением ОУ, установив стабилитрон между выходом и инвертирующим входом. Достоинство такого способа состоит в том, что ОУ не входит в режим ограничения выходного тока. На рис. 8 приведена схема простого ин­вертирующего усилителя-ограничителя.

 

а б

Рис. 8. Инвертирующий усилитель-ограничитель со стабилитроном:
а – схема; б – характеристика ограничителя

У этого способа есть два принципиальных недостатка:

- емкость p-n перехода (быстродействие схемы снижается из-за влияния емкостей переходов стабилитронов, которые могут достигать десятков пФ);

- токи утечки (у стабилитронов они достаточно велики, что может сказаться на работе некоторых чувствительных схем, например интеграторов).

В схеме на рис. 9 стабилитрон постоянно находится в режиме-стабилизации и включается в схему ограничителя через диодный мост. Поскольку стабилитрон находится в режиме стабилизации, напряжение на нем постоянно, и влияние его емкости перехода практически не исключается.

а б

Рис. 9. Ограничитель на стабилитроне с диодным мостом:
а – схема; б – характеристика ограничителя

Быстродействие ограничителя определяется теперь в основном скоростью переключения диодов моста, которая намного выше, чем у стабилитрона, поскольку емкости переходов высокочастотных диодов на порядок меньше.

Еще одно преиму­щество данной схемы состоит в том, что ограничение обеспечивается обыч­ными диодами, ток утечки которых значительно меньше, а характерис­тики переключения гораздо лучше.

Для получения более резкого перехода в режим ограничения можно использовать другой вариант включения диодного моста в цепь обратной связи ОУ (рис. 10). В приведенной схеме пороги ограничения определяются резистивными делителями, что позволяет в отличие от предыдущей схемы изменять их в широких пределах. Включение повторителя на ОУ A₂ обеспечивает развязку ограничителя с нагрузкой. Пороги ограничения в схеме зависят от прямых напряжений на диодах VD₅ и VD₆, что сказывается на их температурной стабильности. Стабилитроны, включенные между входом и выходом ОУ A₁, обеспечивают его отрицательную об­ратную связь в режиме ограничения. Напряжения стабилизации VD₁ и VD₂ должны быть больше порогов ограничения:

и .

Рис. 10. Улучшение характеристики диодного мостового ограничителя:
а – схема; б – характеристика ограничителя

 

Управляемый напряжением ограничитель на ОУ показан на рис. 11. Рассмотрим случай ограничения положительного сигнала (рис. 11, а). При входном напряжении, меньшем, чем U₁, ОУ находится в состоянии положительного насыщения, поэтому диод VD₁ смещен в обратном на­правлении и не участвует в работе схемы. Входное напряжение переда­стся на выход через резистор R. Когда входное напряжение оказывается больше порога ограничения U₁, выходное напряжение ОУ меняет знак, диод открывается, цепь обратной связи ОУ замыкается и на выходе схемы устанавливается напряжение U₁. При ограничении отрицательных сигналов (рис. 11, б) схема действует аналогично, но полярности напряжений и включения диода меняются на противоположные. Если нужно ограничить как положительный, так и отрицательный сигналы, можно включить две эти схемы последовательно. Отметим, что ОУ должен вы­держивать большие дифференциальные входные напряжения.

Данный способ позволяет получить хорошую характеристику ограни­чения, так как все "неидеальности" диода ослабляются в А_V раз, где А_V – коэффициент усиления ОУ. Схема имеет высокое входное сопротив­ление по входу порогового напряжения, поскольку оно подается непо­средственно на неинвертирующий вход ОУ. Один из основных ее недо­статков заключается в невысоком быстродействии, поскольку при переходе в режим ограничения ОУ должен сначала выйти из состояния насыщения в линейный режим.

Рис. 11. Управляемый напряжением ограничитель:

а, б – схема и характеристика при ограничении положительного напряжения;

в, г – схема и характеристика при ограничении отрицательного напряжения