Курсовая работа: Методика расчета схем амплитудных ограничителей

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 (U_вх имеет достаточно большую амплитуду. На выходных характеристиках транзистора i _к = F (U_кэ ) (рис. 1.4) построена динамическая характеристика переменного тока (нагрузочная прямая), угол наклона которой определяется сопротивлением R_экв контура. При большой амплитуде U _вх наступает двусторонняя отсечка коллекторного тока, вызванная наличием областей запирания и насыщения. При этом ток i _к оказывается ограниченным по максимуму и по минимуму; резонансный контур выделяет первую гармонику коллекторного тока. При U_вх < U_пор ток i _к не имеет отсечки и напряжение U_вых растет пропорционально U _вх ; при U_вх > U_пор появляется отсечка тока i _к , рост амплитуды первой гармоники коллекторного тока замедляется с увеличением U_вх , что обеспечивает в определенных пределах постоянство напряжения U_вых .

Рисунок 1.4 – Иллюстрация принципа работы транзисторного АО на основе выходных характеристик транзистора

1.3.2 Амплитудный ограничитель двумя транзисторами и общим R _Э

Принципиальная схема АО с двумя транзисторами и общим R _Э приведена на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 – Структурная схема АО с двумя транзисторами и общим R _Э

Напряжение на выходном контуре АО определяется первой гармоникой выходного тока i ₂ 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 i ₂ = 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 U_э = R _Э (i _{Э l} + i _Э2 ). Так как это напряжение является запирающим для транзисторов T ₁ и Т ₂ , то его уменьшение вызывает большее отпирание транзистора Т₂ , а следовательно, увеличение токов i _Э2 и i ₂ . Ток i _Э2 возрастает до тех пор, пока напряжение U _вх не закроет транзистор T ₁ ; при этом i ₂ = i _{2 max} . Далее при любом увеличении U _вх и положительного потенциала на базе Т₁ (транзистор Т₁ закрыт) ток i ₂ не меняется и поддерживается равным i _{2 max .} Ток i ₂ при закрытом транзисторе Т₁ – ток в рабочей точке, определяемый сопротивлениями резисторов R ₃ , R ₄ и R _Э .

Рисунок 1.5 – Иллюстрация принципа работы АО с двумя транзисторами и общим R _Э

Предположим теперь, что напряжение U _вх уменьшается относительно нуля, т.е. на базу транзистора Т₁ подается отрицательный потенциал. При этом ток i _{Э l} и напряжение U _Э увеличиваются, транзистор Т₂ подзапирается, ток i _Э2 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 i ₂ = 0. Если амплитуда U _вх < Е (рис. 1.5), то ток i ₂ , а следовательно, и напряжение U _вых линейно зависят от U _вх . Если U _вх > Е, то появляется двусторонняя отсечка тока i ₂ , амплитуда первой гармоники тока i ₂ увеличивается значительно медленнее роста U _вх . При U _вх >> Е ток i ₂ по 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 = 0,5 i _{2 max} R _экв , где R _экв – эквивалентное сопротивление выходного контура.

Рисунок 1.5 – Амплитудная характеристика АО с двумя транзисторами и общим R _Э

1.3.3 Амплитудный ограничитель с переменным смещением

Функциональная схема АО с переменным смещением представлена рис. 1.7.

Рисунок 1.7 – Схема АО с переменным смещением

Режим работы транзистора определяется тремя источниками питания Е ₁ , Е_нач и Е_доб (Е_см = Е_нач -Е_доб ); полярность напряжения Е_доб обычно обратна полярности Е_нач . Напряжение Е_до6 вырабатывает АД, который детектирует, как правило, входное напряжение u_вх . Напряжение Е_доб = F (U_вх ); чем больше амплитуда входного сигнала, тем больше Е_доб . Допустим, что вначале амплитуда входного напряжения мала (рис. 1.8); при этом Е_доб ≈0; Е_см = Е_нач . АО в этом случае работает как обыч ный усилитель (напряжение на транзисторе u_с = U _вх + Е_см ).

Рисунок 1.8 – Иллюстрация принципа работы АО с переменным смещением

При увеличении напряжения U _вx растет Е_доб , и поскольку полярность Е_доб обратна полярности Е_нач , напряжение Е_см уменьшается и при больших значениях U _вx наступает отсечка выходного тока i _вых . Чем больше U _вx, тем меньше угол отсечки выходного тока транзистора θ . С уменьшением θ при возрастании U _вx увеличивается максимальное значение импульса выходного тока i _{вых max} . Таким образом, в АО с переменным смещением при увеличении U_вx , начиная с некоторого значения (U_вx = U_пор , происходит одновременное увеличение i _{вых max} и уменьшение θ . На выходе АО включен колебательный контур, выделяющий первую гармонику I_{m 1} выходного тока: напряжение на выходе U _выx = I_{m 1} R_экв . Амплитудная характеристика АО с переменным смещением показана на рис. 1.9. При коэффициенте передачи АД К_д = К_{д opt} АХ наиболее близка к идеальной. При К_д >> К_{д opt} , и увеличении U _вx напряжение Е_доб растет быстрее, чем при К_{д opt} , при этом ток i _{вых max} изменяется мало, а угол отсечки уменьшается быстро, по этой причине амплитуда тока I_{m 1} при увеличении U _вx уменьшается и, следовательно, АХ будет иметь спадающий участок.

Рисунок 1.9 – Амплитудная характеристика АО с переменным смещением

1.4 Заключение

1. Напряжение на выходе ограничителя мгновенных значений отличается по форме от входного напряжения.

2. АО обеспечивает постоянство амплитуды выходного гармонического колебания, но не изменяет частоту и фазу входного сигнала.

3. В диодном АО постоянство напряжения U_выx обеспечивается при U_вx >U_пор за счет шунтирования контура входным сопротивлением диода, которое возрастает по мере увеличения U_вx .

4. В АО с одним транзистором ограничение наступает при U_вx > U_nop , когда транзистор начинает работать в нелинейном режиме, характеризуемом появлением отсечки его коллекторного тока. При этом рост амплитуды первой гармоники I_{m 1} замедляется, что ограничивает увеличение U_выx .