Основы электронной техники (стр. 31 )

Рис. 28.4. RC-дифференциатор.

Рис. 28.5. Сигнал на выходе дифференциатора, изображенного на рис. 28.4, при малой (а) и большой (б) по­стоянной времени.

Интегрирующая RC-цепъ

Интегрирующая RC-цепь (интегратор) является фильтром нижних час­тот (ФНЧ) и при подаче на его вход прямоугольного сигнала выдает на вы­ходе сигнал треугольной (пилообразной) формы. На рис. 28.6 изображен RC-интегратор. При подаче на его вход фронта прямоугольного импуль­са (рис. 28.7) конденсатор начинает заряжаться до напряжения +10 В. Если задать постоянную времени RC, большую в сравнении с периодом входного сигнала, то срез CD импульса поступит прежде, чем конденсатор успеет полностью зарядиться (рис. 28.7(а)). После этого конденсатор начинает заряжаться в обратном направлении. И опять в связи с большой постоянной времени фронт FE следующего импульса придет прежде, чем конденсатор успеет полностью зарядиться в отрицательном направлении и т. д. В результате на выходе получается сигнал треугольной формы, амплитуда которого меньше, чем амплитуда входного сигнала.

Рис. 28.6. RC-интегратор.

Рис. 28.7. Выходной сигнал на вы­ходе интегратора, изображенного на рис. 28.6, при большой (а) и ма­лой (б) постоянной времени.

Если постоянная времени мала в сравнении с периодом входного сиг­нала, то выходной сигнал будет иметь вид, как на рис. 28.7(б). Обратите внимание, что и в интеграторе, и в дифференциаторе постоянная времени всегда сравнивается с периодом входного сигнала. Например, постоян­ная времени 100 мкс является большой по сравнению с периодом, ска­жем, 5 мкс (частота входного сигнала 200 кГц), но малой в сравнении с периодом 5 мс (частота входного сигнала 200 Гц).

Влияние RC-цети на синусоидальный сигнал

Синусоидальный сигнал является простым гармоническим колебанием и не содержит высших гармоник, поэтому при подаче такого сигнала на фильтр любого типа его форма не изменяется. Амплитуда выходного синусоидального сигнала может уменьшиться в зависимости от того, на­ходится его частота в пределах полосы пропускания или нет. В первом случае синусоидальный сигнал претерпевает очень малое затухание, во втором случае затухание может быть очень большим.

Воздействие RC-цепи на пилообразный сигнал

Интегратор скругляет острые кромки пилообразного сигнала (рис. 28.8). Степень скругления определяется постоянной времени схемы. При очень большой постоянной времени выходной сигнал будет иметь вид, как на рис. 28.8(б).

Рис. 28.8. Влияние интегрирующей цепочки на форму пилообразного на­пряжения.

Рис. 28.9. Влияние дифференциру­ющей цепочки на форму пилообраз­ного напряжения.

На рис. 28.9 показано воздействие дифференциатора на сигнал пило­образной формы. При очень малой постоянной времени выходной сигнал получается в виде импульсов (пичков) (рис. 28.9(б)).

Диодное ограничение

Ограничитель срезает вершину сигнала и делает ее плоской. Ограниче­ние может быть односторонним и двусторонним. Так, схема на рис. 28.10 ограничивает только отрицательную полуволну напряжения. Падение напряжения на диоде при прямом включении будет создавать уровень отрицательного напряжения –0,6 В, показанный пунктиром. Обычно диоды считают идеальными и этим напряжением пренебрегают.

Чтобы получить ограничение напряжения на других уровнях, последовательно с диодом включают батарею. При этом диод может быть смещен в прямом (рис. 28.11(а)) или обратном (рис. 28.11(б)) направлении. В схеме на рис. 28.11(б) диод проводит ток только тогда, когда напряжение на его катоде равно или ниже –2 В. При этом выходное напряжение равно ЭДС батареи (если считать диод идеальным).

Рис. 28.10.

Рис. 28.11. Ограничение входного напряжения на уровне +2 В (а) и –2 В (б).

При напряжении выше -2 В диод смещен в обратном направлении, т. е. закрыт, и часть входного напряжения поступает на выход схемы.

Вот простой способ построения ограничителя с дополнительным сме­щением:

1. Проведите на графике входного напряжения линию, соответствующую величине ЭДС батареи.

2. Если ЭДС включена так, что смещает диод в прямом направлении, то большая часть входного сигнала будет ограничена, т. е. отсечена, и наоборот.

Схема на рис. 28.12 ограничивает положительную и отрицательную полуволны входного напряжения. На рис. 28.12(а) диод D1 ограничива­ет положительную полуволну, а диод D2 – отрицательную. В случае идеальных диодов выходное напряжение этой схемы всегда будет равно нулю. Однако если учесть падение напряжения на диоде (для кремние­вого диода оно равно 0,6 В), то получите ограничение на уровнях +0,6 В и -0,6 В. Схема на рис. 28.12(б) тоже обеспечивает двустороннее огра­ничение и имеет дополнительное смещение. Диод D1 ограничивает положительную полуволну входного сигнала, на уровне +2 В, а диод D2 ограничивает отрицательную полуволну на уровне -4 В.

Рис. 28.12. Двустороннее ограничение.

Ограничение с помощью стабилитрона

Стабилитрон (или зенеровский диод) тоже можно использовать для огра­ничения сигнала (рис. 28.13). Стабилитрон Z2 в схеме (б) проводит ток только при положительной полуволне сигнала. Однако стабилитрон Z1 остается выключенным до тех пор, пока входное напряжение не превысит его напряжения пробоя (в данном случае 6 В), ограничивающего входное напряжение. В отрицательный полупериод стабилитрон Z1 всегда смещен в прямом направлении и проводит ток, но стабилитрон Z2 ограничивает входной сигнал на уровне -9 В.

Рис 28.14.Схемы ограничения на стабилитроне.

Схемы ограничения на транзисторе

Как уже говорилось в гл. 9, при перегрузке усилителя тоже возника­ет ограничение сигнала. Схема на рис. 28.14 вырабатывает практически прямоугольное напряжение. Транзистор не имеет напряжения смещения, поэтому при отсутствии напряжения на входе он закрыт. В течение поло­жительного полупериода входного сигнала транзистор открыт (переход эмиттер-база смещен в прямом направлении) и при достаточной величи­не напряжения на входе входит в насыщение. При этом напряжение на выходе равно нулю. В течение отрицательного полупериода входного сиг­нала транзистор закрыт и напряжение на выходе равно +VСС. Выходной сигнал представляет собой прямоугольные импульсы, и поэтому схема называется формирователем прямоугольных импульсов.

Рис. 28.14. Схема ограничения на транзисторе.

Триггер Шмитта

Очень распространенной схемой для формирования и ограничения им­пульсов является триггер Шмитта, изображенный на рис. 28.15. При от­сутствии входного сигнала база T1 имеет нулевой потенциал, и транзистор закрыт. Транзистор T2 в это время находится в состоянии насыщения, поскольку на его базу подано положительное напряжение, определяемое делителем R2-R4-R5. Выходное напряжение (коллектор T2) при этом практически равно нулю. Ток транзистора T2, протекающий через эмиттерный резистор R3, создает положительное напряжение на эмиттерах, которое смещает эмиттерный переход T1 в обратном направлении.

При увеличении входного напряжения в положительном направления транзистор T1 начинает проводить ток, когда напряжение на его базе пре­высит напряжение на эмиттере на +0,6 В. Когда это произойдет, транзи­стор T1 начинает пропускать ток, потенциал его коллектора понижается и это понижение передается на базу транзистора T2. В результате ток транзистора T2 уменьшается, падает потенциал эмиттеров транзисторов T1 и T2 и транзистор T1 начинает пропускать еще больший ток и т. д.

Рис. 28.15. Схема триггера Шмитта.

Та­ким образом, транзистор T1 очень быстро достигает насыщения, а тран­зистор T2 — отсечки. Выходное напряжение при этом равно VCC. Если теперь входное напряжение упадет до нуля, произойдет обратный про­цесс, в результате чего транзистор T1 закроется, а транзистор T2 придет в насыщение.

Схема фиксации уровня

Эту схему называют еще схемой восстановления постоянной составляю­щей (ВПС). Схема фиксации уровня добавляет к сигналу переменного тока постоянную составляющую, не изменяя при этом формы входного сигнала.

Во многих случаях бывает важно сохранить уровень постоянной со­ставляющей сигнала. Так, если схема имеет связь по переменному то­ку, постоянная составляющая теряется, и ее потом приходится восстана­вливать. Это случается, например, при дифференцировании импульсной последовательности или после прохождения видеосигнала через разделительный конденсатор. Фиксация уровня также используется для полу­чения смещения класса С в транзисторах, например в генераторах (см. гл. 30). На рис. 28.16 изображена схема фиксатора.

Срез АВ (рис. 28.17) входного сигнала представляет собой отрицательный перепад напряжения величиной 10 В. Он состоит из высокочастотных составляющих и поэтому проходит через конденсатор, делая точку Х (.выход) отрицательной. При этом диод оказывается смещенным в прямом направлении и, если считать его идеальным, накоротко замыкает очку X на нулевой уровень. Конденсатор быстро заряжается через малое сопротивление прямо смещенного диода в отрицательном направлении (рис. 28.16(б)).