Методика расчета схем амплитудных ограничителей (стр. 1 из 4)
1. Аналитический обзор
1.1 Некоторые сведения о работе амплитудных ограничителей
Под воздействием помех амплитуда и частота частотно-модулированного сигнала изменяются [1]. Поэтому принято говорить, что помехи вызывают вредную амплитудную и частотную модуляцию сигнала. Если изменение амплитуды сигнала под воздействием помех происходит со сравнительно малой глубиной (та< 0,4), то, применив ограничитель амплитуды (ОА), можно его устранить. Благодаря этому на вход детектора частотно-модулированных сигналов поступит сигнал практически с постоянной амплитудой, что значительно ослабит действие помех.
Для устранения вредной амплитудной модуляции сигнала помехой идеальный ограничитель должен иметь амплитудную характеристику, состоящую из двух отрезков прямых 1, показанных на рис. 1.1.
 |
| |
Рисунок 1.1 – Амплитудная характеристика идеального ограничителя
При амплитудах входного сигнала, меньших порога ограничения Uпор ограничитель работает как обычный усилитель и его амплитудная характеристика линейная. Если амплитуда входного напряжения превышает пороговое значение, то амплитуда выходного напряжения сохраняется постоянной и не зависит от амплитуды входного сигнала. Следовательно, в рабочей области коэффициент усиления ограничителя амплитуды должен изменяться обратно пропорционально амплитуде входного сигнала, что технически выполнить весьма трудно.
Выбрав амплитуду немодулированного входного сигнала U0вхm значительно больше порогового напряжения идеального ограничителя, можно добиться полного устранения вредной амплитудной модуляции сигнала помехой, если коэффициент вредной амплитудной модуляции удовлетворяет неравенству
mп.вх≤ 1-Uпор/Uовхm. (1–1)
При выполнении этого неравенства все изменения амплитуды входного сигнала под воздействием вредной амплитудной модуляции помехой происходят при значениях, больших порогового, т.е. в области идеальной работы ограничителя. При этом коэффициент модуляции выходного напряжения mп.вых равен нулю.
В случае известных значений порога ограничения и коэффициента модуляции mп.вх из формулы (1–1) можно найти требуемое значение амплитуды входного сигнала, которое обеспечит устранение вредной амплитудной модуляции. Аналогично можно выбирать схему ограничителя амплитуды по его пороговому напряжению, если заданы Uовхm и mп.вх.
Амплитудные характеристики реальных ограничителей чаще всего имеют вид, соответствующий штриховой кривой 2 на рис. 1.1. Пороговое напряжение определяют в точке П перегиба характеристики. Этой точке на рисунке соответствует выходное напряжение (Uп.выхm. Если выбрать амплитуду входного сигнала по формуле (1–1) и обозначить через Uовыхm амплитуду выходного сигнала в рабочей точке, то остаточный коэффициент модуляции выходного сигнала ограничителя амплитуды
. (1–2)Эффективность работы ограничителя оценивается коэффициентом ограничения, характеризующим уменьшение амплитудной модуляции сигнала:
Koгp = mп.вх/mп.вых. (1–3)
Кроме этого коэффициента характеристиками ограничителя амплитуды являются также пороговое напряжение и выходное напряжение Uовхm соответствующее амплитуде немодулированного выходного сигнала при пороге ограничения.
Чем больше коэффициент ограничения и амплитуда выходного напряжения в рабочей точке Uовыхm, тем лучше считается ограничитель амплитуды. При прочих равных условиях лучшим считается также тот ограничитель, который имеет меньший порог ограничения, ибо в этом случае требуется меньшее напряжение входного сигнала Uовхm в рабочей точке.
Операция ограничения – нелинейная, поэтому при этом возникает ряд гармонических составляющих напряжения [2]. Для обеспечения на выходе АО гармонического напряжения необходимо после нелинейного преобразования напряжения осуществить фильтрацию первой гармоники входного колебания. Тогда структурная схема АО (рис. 1.2) включает в себя нелинейную цепь и фильтр, выделяющий первую гармонику тока на выходе цепи.
Если из этого устройства исключить фильтр, то можно получить ограничитель мгновенных значений. В зависимости от вида нелинейной цепи АО подразделяются на диодные и транзисторные.
Рисунок 1.2 – Структурная схема амплитудного ограничителя
1.2 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
1.3 Транзисторные амплитудные ограничители
Существует несколько разновидностей транзисторных АО: простейшие, с двумя транзисторами и общим RЭ, с переменным смещением [2].
1.3.1 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 Uвх наступает 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 Uвх; при Uвх > Uпор появляется отсечка тока iк, 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 i2 при различных уровнях входного напряжения (напряжения на базе транзистора T1) показаны на рис. 1.5. Если Uвх = 0, то выходной ток i2 = i20; обычно транзисторы Т1 и Т2 и режимы их работы выбираются одинаковыми, поэтому i20=i10 – Ток i20 зависит от начального режима работы транзисторов. Предположим, что напряжение Uвх возрастает, т.е. положительный потенциал на базе транзистора Т1 увеличивается. Это вызывает под-запирание транзистора Т1, при этом его эмиттерный ток i1 уменьшается, а следовательно, снижается и напряжение Uэ = RЭ (iЭl + iЭ2). Так как это напряжение является запирающим для транзисторов T1 и Т2, то его уменьшение вызывает большее отпирание транзистора Т2, а следовательно, увеличение токов iЭ2 и i2. Ток iЭ2 возрастает до тех пор, пока напряжение Uвх не закроет транзистор T1; при этом i2 = i2max. Далее при любом увеличении Uвх и положительного потенциала на базе Т1(транзистор Т1 закрыт) ток i2 не меняется и поддерживается равным i2max. Ток i2 при закрытом транзисторе Т1 – ток в рабочей точке, определяемый сопротивлениями резисторов R3, R4 и RЭ.