ОГРАНИЧИТЕЛЬ АМПЛИТУДЫ СИГНАЛА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для защиты аналоговых устройств и цифровых микросхем от перенапряжения по входу, а также для согласования уровней сигналов аналоговых и цифровых микросхем.
Известен ограничитель амплитуды сигнала (Справочник по радиоэлектронике в трех томах. / Под общей ред. А.А. Куликовского. Том 1. - М.: Энергия, 1967. - С. 565, рис. 11-36), содержащий последовательно подключенные токоограничивающий резистор и стабилитрон, средняя точка соединения которых является выходом устройства, а второй вывод стабилитрона подключен к нулевой цепи.
BX
ВЫХ
CT
BX
BX
BX
BX
BX
BX
В этом устройстве при большой амплитуде входного сигнала U уровни выходного напряжения U ограничиваются параметрами стабилитрона - его напряжением пробоя U при положительной полуволне U и прямым падением напряжения -UCT≈-0,6 В на открытом стабилитроне при отрицательной полуволне сигнала U. При постоянном сопротивлении токоограничивающего резистора R амплитуда входного тока I=(U-UCT)/R возрастает прямо пропорционально амплитуде сигнала за пределами зоны прозрачности данного ограничителя, что приводит к повышению энергопотребления от источника сигнала U. Кроме того, изменение амплитуды входного сигнала приводит к нестабильности уровней ограничения выходных импульсов из-за наличия дифференциального сопротивления стабилитрона, через который протекает разный ток I.
4
Известен также ограничитель амплитуды сигнала (патент US №1478295, МПК H03G 11/02, 1989 г.), содержащий повторители напряжения, резисторы и последовательно соединенные диоды, вторые выводы которых подключены соответственно к двум источникам порогового напряжения, причем выходной сигнал через один резистор поступает на среднюю точку соединения диодов, которая является выходом ограничителя.
Такое построение схемы ограничителя позволяет устранить протекание обратных токов диодов через резистор, однако не позволяет уменьшить энергопотребление от источника входного сигнала, повышение амплитуды которого увеличивает входной ток ограничителя, а также приводит к нестабильности амплитуды выходных импульсов при изменении уровня входного сигнала.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является ограничитель амплитуды сигнала (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1998. - С. 58, рис. 1.90), содержащий токоограничивающий резистор, который последовательно соединен с двумя встречно и параллельно включенными диодами, вторые выводы которых подключены к источникам порогового напряжения, а средняя точка соединения резистора и диодов является выходом устройства.
Недостатком такого устройства является большое энергопотребление от источника входного сигнала, повышение амплитуды которого приводит к пропорциональному увеличению входного тока ограничителя и, как следствие, к изменению уровней ограничения выходного напряжения. Кроме того, в схеме устройства необходимо использовать дополнительные источники порогового напряжения с низкими выходными сопротивлениями, через которые протекает изменяющийся входной ток, зависящий от амплитуды входных импульсов за пределами зоны прозрачности ограничителя.
Задачей полезной модели является создание ограничителя амплитуды сигнала, позволяющего получить уменьшение энергопотребления от источника сигнала и повышение стабильности амплитуды выходных импульсов в широком диапазоне изменения входного напряжения.
Эта задача решается тем, что в ограничитель амплитуды сигнала, содержащий последовательно подключенные токоограничивающий резистор и два встречно и параллельно включенных диода, средняя точка соединения которых является выходом устройства, дополнительно введены третий диод, второй резистор и полевой транзистор. К входу устройства подключен сток полевого транзистора, его исток соединен с токоограничивающим резистором, а затвор через второй резистор подключен к выходу устройства, который через первый диод соединен с нулевой цепью. При этом в качестве второго и третьего диодов используются последовательно включенные светодиоды, через которые выход устройства также подключен к нулевой цепи.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого ограничителя амплитуды сигнала, а на фиг. 2 показаны временные диаграммы его работы при входном сигнале гармонической формы.
BX
ВЫХ
4
5
6
Ограничитель амплитуды сигнала содержит полевой транзистор 1, сток которого подключен к источнику входного сигнала U, токоограничивающий резистор 2 в цепи истока полевого транзистора 1 и второй резистор 3, через который затвор полевого транзистора 1 соединен с выходом устройства. Этот выход через первый диод 4 подключен к нулевой цепи, которая через два последовательно включенных светодиода 5 и 6 соединена с выходом устройства, поэтому амплитуда выходного напряжения U ограничивается снизу падением напряжения U≈-0,6 В на кремниевом диоде 4, а сверху - суммарным падением напряжения U+U≈3 В на двух светодиодах 5 и 6 (фиг. 1).
BX
BX
СИ
5
6
ВЫХ
ВЫХ
BX
BX
Ограничитель амплитуды сигнала работает следующим образом. На его вход подается переменное напряжение U, которое превышает амплитуду импульсов на выходе устройства. В исходном состоянии (при значении U=0) полевой транзистор 1 открыт и имеет сравнительно малое сопротивление между стоком и истоком (R≤100 Ом), а диод 4 и светодиоды 5, 6 находятся в закрытом состоянии и имеют большое сопротивление. Пока входной сигнал не достигнет суммарного напряжения открывания арсенид-галлиевых светодиодов 5 и 6, составляющее U+U≈3 В, форма и значение выходного напряжения U практически аналогичны входному сигналу (U≈U), а входной ток устройства мало отличается от нуля (I≈0).
BX
BX
5
6
OTC
OTC
BX
BX.М
OTC
2
OTC
2
ВЫХ
5
6
При увеличении сигнала U до уровня U≤U+U+U, зависящего от напряжения отсечки U полевого транзистора 1 и суммарного напряжения открывания светодиодов, входной ток устройства увеличивается пропорционально сигналу U до максимального значения I≈U/2R, определяемого напряжением отсечки U полевого транзистора 1 и сопротивлением R токоограничивающего резистора 2. При этом амплитуда выходного напряжения ограничивается на уровне U=U+U (фиг. 2).
BX
BX.М
СИ
BX
При таком входном сигнале полевой транзистор 1 с токоограничиваю-щим резистором 2 в цепи истока работает как генератор стабильного тока, и при дальнейшем повышении напряжения U на стоке транзистора 1 входной ток практически не изменяется и остается на уровне I (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1998. - С. 136, рис. 3.19). Ограничение входного тока обеспечивается за счет изменения сопротивления «сток-исток». R полевого транзистора 1 в зависимости от напряжения U на его стоке, что позволяет уменьшить энергопотребление от источника входного сигнала в широком динамическом диапазоне.
BX
4
BX
BX
4
BX
BX
3
2
3
2
3
BX
BX
BX
BX
BX
При появлении отрицательной полуволны сигнала U входной ток ограничителя остается пренебрежимо малым до уровня открывания U≈-0,6 В диода 4, т.е. ток I≈0 при U≥-U. Понижение входного сигнала до уровня U≤-0,6 В приводит к открыванию перехода «сток-затвор» полевого транзистора 1, который начинает работать в диодном режиме в течение всей отрицательной полуволны сигнала U. При этом входной ток начинает протекать по цепи затвора полевого транзистора 1 через второй резистор 3, сопротивление R которого целесообразно выбирать значительно больше сопротивления R токоограничивающего резистора 2 по условию R>R. При протекании тока затвора полевого транзистора 1 через второй резистор 3 на нем падает напряжение U≈-U+0,6 В, близкое к значению входного сигнала U. Это падение напряжения приводит к частичному закрыванию канала полевого транзистора 1 и увеличивает его сопротивление «сток-исток» пропорционально значению U. В итоге входной ток I ограничителя значительно уменьшается и мало зависит от изменения уровня отрицательной полуволны сигнала U в широком динамическом диапазоне.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».
Отличительные признаки полезной модели - применение полевого транзистора, режим работы которого изменяется в зависимости от уровня и полярности входного сигнала, использование второго резистора с большим сопротивлением в цепи затвора для ограничения входного тока при отрицательных значениях входного сигнала, а также применение светодиодов для ограничения амплитуды выходных импульсов - в аналогах не встречаются.
ВЫХ.М
Промышленная применимость предлагаемого устройства обусловлена наличием современной элементной базы. В частности, для ограничения амплитуды выходного сигнала на уровне U=3 В можно использовать полевой транзистор типа КП303, первый диод типа КД514, два светодиода АЛ307Б и два резистора типов МЛТ или С2-23.
OTC
5
6
2
3
BX.М
Для оценки энергопотребления предложенного устройства проведено его экспериментальное исследование. В схеме был применен полевой транзистор с напряжением отсечки U≈1 В, два светодиода с напряжением открывания U=U=1,5 В, токоограничивающий резистор с сопротивлением R=10 кОм и второй резистор с сопротивлением R=5,1 МОм. Амплитуда входного сигнала задавалась в диапазоне U=(0…30) В. Результаты исследований контролировались по показаниям цифрового вольтметра и микроамперметра, а форма сигналов контролировалась цифровым осциллографом.
BX
BX
BX.М
В результате моделирования установлено, что при изменении входного напряжения в диапазоне U=(0…+30) В входной ток устройства ограничивается на уровне 23 мкА, а при отрицательном напряжении U=(0…-30) В не превышает 68 мкА, причем действующее значение входного тока при переменном напряжении с амплитудой U=30 В составляет всего 45 мкА.
BX
СД
СД.Н
BX.Н
СД
СД.Н
Экспериментально установлено, что при протекании тока I=20 мкА падение напряжения на свето диодах типа АЛ307Б составляет U=1,5 В и повышается до уровня U=1,7 В при номинальном токе I=(3…5 мА), т.е. относительное изменение напряжения составляет ΔU/U≈12%.
ОП
2
BX.М
BX
2
BX
Если вместо светодиодов использовать два встречно и параллельно включенными диодами, один из которых подключен к источнику опорного напряжения U=2,4 В (по аналогии с прототипом), то при аналогичном сопротивлении токоограничивающего резистора R=10 кОм входной ток возрастает до уровня I=2,7 мА при изменении напряжения в диапазоне U=±30 В, а действующее значение входного тока составляет 1,9 мА, т.е. в 42 раза выше, чем в предлагаемом устройстве при аналогичных параметрах R и U. Такое увеличение тока приводит к повышению падения напряжения на кремниевых диодах примерно на ΔU=92 мВ, что приводит к аналогичному изменению уровня ограничения амплитуды выходных импульсов.
Ограничение амплитуды входного тока за счет применения полевого транзистора с токоограничивающим резистором к цепи истока и дополнительным резистором в цепи затвора позволяет повысить стабильность амплитуды выходных импульсов, которая в предлагаемом устройстве определяется суммарным напряжением открывания двух светодиодов при входном токе порядка десятков микроампер и сравнительно малом дифференциальном сопротивлении арсенид-галлиевых светодиодов.
Наибольший эффект предлагаемое устройство обеспечивает при его использовании для ограничения амплитуды однополярных импульсных сигналов, когда полевой транзистор с резистором в цепи истока работает в режиме генератора стабильного тока. Такое ограничение необходимо, к примеру, при согласовании цифровых устройств, выполненных на микросхемах серии К561 или 564, имеющих напряжение питания до 15 В при допустимом токе нагрузки не более 0,2 мА, с цифровыми блоками, собранными на быстродействующих микросхемах серии КР1554, имеющих номинальное напряжение питания 3,3 В. В этом случае исключается перегрузка по выходу элементов серии К561 и одновременно обеспечивается защита микросхем серии КР1554 от высокого напряжения по входу.
При необходимости увеличения амплитуды выходных импульсов, например, в два раза, то вместо двух последовательно подключенных светодиодов можно включить последовательно четыре светодиода без увеличения входного тока.
Аналогичный эффект достигается при использовании предлагаемого устройства для формирования однополярных цифровых импульсов из выходных гармонических сигналов генераторов, собранных на операционных усилителях с двухполярным напряжением питания ±15 В или на транзисторных усилительных каскадах.
Следовательно, предлагаемая полезная модель характеризуется универсальностью применения для ограничения сигналов и согласования уровней сигналов в устройствах различного функционального назначения.