Глава 3. Преобразование сигналов и спектров

3.1. СОЕДИНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ И ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ОГРАНИЧЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ

Различные функциональные узлы (усилители, модуляторы, детекторы и др.) приемных и передающих частей систем связи содержат комбинации линейных и нелинейных элементов.

Рассмотрим определение тока и напряжений в цепи рис. 3.1а, состоящей из постедовательно включенного линейного резистора и нескольких нелинейных

Рис. 3.1

элементов с вольт амперными характеристиками приведенными на рис. 3.2а. Заменяя нелинейные элементы одним эквивалентным приходим к схеме рис. 3.16. При любом значении тока общее напряжение на нелинейных элементах Суммируя на рис. 3.2а при различных эти напряжения, получаем характеристику эквивалентного нелинейного элемента

Рис. 3.2

Согласно второму закону Кирхгофа в схеме рис. 3.16 . Решаем это уравнение относи тельио тока:

Зависимость -линейная. Она называется нагрузочной прямой (или характеристикой), поскольку линейным резистором в данной цепи часто является нагрузка. Характеристика (3 1) пересекает ось абсцисс в точке ось ординат - в точке Линия, проходящая через эти точки, является нагрузочной прямой. В цепи могут иметь место только такие режимы, при которых одновременно и выполняется уравнение (3.1). Данному условию удовлетворяет точка А пересечения этих характеристик, которая определяет величины тока напряжения V на эквивалентном НЭ и на резисторе. Зная ток I, находим напряжения на каждом НЭ по их вольт-амперным характеристикам, как показано на рис. 3.2а.

Цепь, содержащую нелинейный элемент с и последовательно включенный резистор (рис. 3.16), можно рассматривать как нелинейный элемент, с иной Этот новый НЭ отличается от исходного тем, что тот же ток достигается при большем напряжении Изменение ВАХ нелинейного элемента путем включения резистора иллюстрируется на рис. 3.26.

В схеме рис. 3.16 резистором зачастую бывает нагрузка. В этом случае изменение ВАХ следует расценивать как результат изменения напряжения на НЭ при изменении тока, т. е. как следствие влияния (реакции) нагрузки на процессы в цепи. Пренебрегать этим влиянием можно только тогда, когда и, т. е. при достаточно малых сопротивлениях

На рис. 3.1 в показана цепь, в которой параллельно нелинейному элементу подключен линейный резистор Для преобразования этой схемы к схеме рис. 3.16 заменяем параллельную цепь, эквивалентным нелинейным элементом учитывая, что ток Суммируя токи в ветвях при различных напряжениях и (рис. , получаем ВАХ эквивалентного Различие означает возможность изменения ВАХ НЭ путем параллельного подключения линейного резистора. Проводим нагрузочную прямую и по ее пересечению с характеристикой эквивалентного НЭ в точке А устанавливаем величины тока I и напряжения Токи в ветвях определяются напряжением по характеристикам каждого из параллельно включенных элементов, как показано на рис. 3 2в. Расчет цепи.

в параллельной ветви которой содержится несколько нелинейных элементов, проводится аналогично.

Под ограничением мгновенных значений (напряжения или тока) подразумевается такая нелинейная операция, в результате которой не допускается выход этих величин за пределы определенных значений (уровней). На практике используются три вида ограничения:

сверху, или по максимуму, при котором мгновенные значения выходного сигнала не превосходят некоторого уровня;

снизу, или по минимуму, в результате которого мгновенные значения выходного сигнала не могут оказаться меньшими некоторого уровня;

двустороннее, при котором мгновенные значения выходного сигнала ограничиваются некоторым определенным интервалом.

Основной характеристикой ограничителя напряжения является зависимость его выходного напряжения от входного Рисунок 3.3 иллюстрирует действие всех трех типов ограничителей: по максимуму — а, по минимуму — двустороннего — в.

Рис. 3.3

Двусторонний ограничитель нередко используется для формирования трапецеидальных импульсов из синусоидального колебания. Чем больше амплитуда входного гармонического сигнала, тем ближе форма получающихся импульсов к прямоугольной.

На рис. 3.3 г-е приведены схемы диодных ограничителей: по максимуму — по минимуму — и двустороннего — Уровни ограничения определяются величинами и полярностью источников смещения включенных в ветвь, параллельную выходным зажимам. Поскольку на вход ограничителей подаются колебания значительной амплитуды, можно воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией характеристики диода. Для прямых напряжений сопротивление диода невелико (десятки — сотни ом), для обратных сопротивление большое (сотни килоом). Сопротивления в схемах рис. 3.3 г-е должны удовлетворять условиям

Обратимся к схеме рис. 3.3г. Когда напряжение и притом диод открыт, через него протекает прямой ток в направлении, указанном

сплошной стрелкой. Поэтому, пренебрегая падением напряжения на диоде в силу первого условия (3.2), имеем (горизонтальная линия на рис. 3.3а). При направление тока соответствует пунктирной линии, диод закрыт и в силу второго условия На рис. 3.3а этому соответствует линия, проведенная под углом 45° для Аналогичные рассуждения показывают, что рис. 3.36 представляет схему ограничителя по минимуму с характеристикой, приведенной на рис. 3.36. На рис. 3.3е изображена схема двустороннего ограничителя с уровнями ограничения характеристика которого соответствует показанной на рис. 3.3е.

Схемы рис. 3.3 г-е называются схемами ограничителей с параллельным (по отношению к нагрузке) включением диодов. Если на этих рисунках поменять местами диоды и резисторы, получим схемы ограничителей с последовательным включением диодов.

На рис. приведена схема двустороннего ограничителя на биполярном транзисторе типа . Для его нормальной работы сопротивление включенное в цепь базы, должно во много раз превышать входное сопротивление открытого транзистора, нагрузочная характеристика должна быть пологой, для чего сопротивление нагрузки должно быть достаточно большим.

Рис. 3.4

Предположим, что при ток в цепи базы равен (рис. 3.46). При эмиттерный переход открывается сильнее, ток возрастает. Напряжение на коллекторе определяемое точкой А пересечения выходных характеристик с нагрузочной для будет оставаться неизменным, близким к нулю. Величина определяет первый уровень ограничения. Запирая эмиттерный переход достаточно большой ЭДС противоположного характера, получим второй уровень ограничений

Кроме рассматривавшихся до сих пор ограничителей мгновенных значений, в радиотехнических устройствах применяют ограничители амплитуды, предназначенные для значительного уменьшения амплитудной модуляции сигнала Для создания такого устройства следует в качестве нагрузки транзистора (рис. 3.4а) использовать колебательный контур, настроенный на частоту При больших амплитудах вследствие двустороннего ограничения ток будет почти прямоугольным, а его первая гармоника и вызванное ею падение напряжения на контуре будет иметь почти постоянную амплитуду.

Задача стабилизации тока и напряжения питания электронных схем сводится к обеспечению постоянства этих величии при неизбежных на практике колебаниях напряжения на выходе выпрямителя, нагрузки и т. п. Стабилизаторами тока являются устройства, в которых относительное изменение тока в цепи значительно меньше относительного изменения напряжения питания или нагрузки стабилизаторами напряжения — устройства, в которых относительное изменение напряжения на нагрузке значительно меньше

Простейший стабилизатор тока представляет цепь (см. рис. 3.16), в которой последовательно с нагрузкой включен нелинейный элемент НЭ с «выпуклой» характеристикой показанной на рис. 3.5а. Там же проведены нагрузочные прямые для двух значений сопротивления и напряжений Видно, что при малом сопротивлении небольшое изменение напряжения на величину вызывает относительно меньшее изменение

тока имеет место стабилизация тока При больших эффект стабилизации отсутствует.

Стабилизация напряжения осуществляется НЭ с «вогнутой» характеристикой (рис. 3.56), включенным по схеме рис. 3.1 в: параллельно нагрузке и последовательно с вспомогательным резистором Суммируя токи в параллельных ветвях при фиксированных напряжениях и, получаем характеристики эквивалентного нелинейного элемента: для большого сопротивления нагрузки для малого сопротивления

Рис. 3.5

Затем проводим нагрузочные прямые для сопротивления и напряжений Из графика следует, что стабилизация напряжения имеет место только при достаточно больших и небольших

Во многих случаях стабилизация, достигаемая в таких простых схемах, оказывается недостаточной. Тогда применяют более сложные электронные стабилизаторы тока или напряжения.