Амплитудными ограничителями или просто ограничителями называются функциональные преобразователи, у которых выходное напряжение по форме совпадает с входным до определенного значения, называемого уровнем ограничения, а по достижении его остается неизменным. Различают ограничение по максимуму («сверху»), по минимуму («снизу») и двустороннее (рис. 5.1, а — в).
Рис. 5.1. Вольт-амперные характеристики ограничителей:
а – ограничение по максимуму, б –ограничение по минимуму, в – двустороннее ограничение.
Основными требованиями, предъявляемыми к ограничителям, являются стабильность положения точки излома передаточной характеристики, стабильность уровней ограничения и малые частотные искажения.
Различают ограничители на пассивных компонентах и усилители-ограничители.
Ограничители на пассивных компонентах выполняют с использованием диодов и стабилитронов. В зависимости от способа включения их подразделяют на схемы с последовательным и параллельным включением нелинейного элемента.
Рис. 5.2. Принципиальные схемы и диаграммы напряжений ограничителей с последовательным включением диода:
а – ограничение сверху, б – ограничение снизу, в – двустороннее ограничение.
Ограничители с последовательным включением диода могут производить как ограничения снизу, сверху, так и двустороннее. Схемы ограничителей и временные диаграммы показаны на рис. 5.2. Работа цепей, ограничивающих сигналы, основана на нелинейности вольт-амперной характеристик диода. В открытом состоянии диод подключает нагрузку к источнику сигнала, а в закрытом - отключает ее.
В ограничителях с параллельным включением диода (рис. 5.3) ограничение происходит в моменты времени, когда диод открыт. Все приращения входного напряжения, вызывающие изменения тока в цепи, падают на резисторе Rorp, который иногда называют балластным. Наличие Rorp обязательно для схем с включением нелинейного элемента параллельно с нагрузкой.
Рис. 5.3. Принципиальные схемы и диаграммы напряжений ограничителей с параллельным включением диода:
а – ограничение сверху, б – ограничение снизу, в – двустороннее ограничение.
Рис. 5.4. Ограничители на стабилитронах:
а – ограничение по максимуму, б –ограничение по минимуму, в – двустороннее ограничение.
Применение усилителей, в частности ОУ, позволяет существенно улучшить основные характеристики ограничительных устройств.
Используется значительное количество различных схем включения ОУ. Однако все они основаны на едином принципе— введении нелинейных элементов (диодов, транзисторов или стабилитронов) в цепь обратной связи. Рассмотрим несколько вариантов схем построения ограничителей на ОУ.
На рис. 5.6, а показан ограничитель с резистивным делителем в цепи обратной связи, в котором нелинейный элемент (диод) включен в цепь параллельной обратной связи. Этот диод открывается в тот момент времени, когда напряжение на нем превысит контактную разность потенциалов UK.
Рис. 5.6. Ограничители на операционном усилителе:
а – диодный ограничитель и его передаточная характеристика (б), в – транзисторный ограничитель и его передаточная характеристика (г).
На рис. 5.6, б. видно, что выходное напряжение продолжает изменяться при увеличении входного, только скорость этого изменения существенно уменьшается. Для улучшения характеристики ограничителя следует обеспечить выполнение условия R3<<R2. В этом случае коэффициент передачи, характеризуемый углом наклона характеристики ограничителя, по достижении выходным напряжением значения Uвых стремится к нулю и характеристика на этом участке идет горизонтально.
