11. Ограничители, пиковые детекторы и выпрямители

В этой главе описаны устройства, в которых для выполнения различных функций используются выпрямительные свойства диодов. Рассматриваются ограничители, пиковые детекторы и выпрямители.

11.1. Ограничители

Ограничителями называются схемы, выходное напряжение которых не может превышать определенной величины. Их иногда также называют фиксаторами и применяют для защиты цепей от повышенного напряжения. Входной и выходной сигналы фиксатора показаны на рис. 11.1.

В показанных здесь простых схемах ограничение выходного напряжения ОУ или другого подобного устройства осуществляется с помощью стабилитрона или обычного диода. Следует соблюдать осторожность при использовании подобных схем, поскольку выходной ток ОУ при ограничении сигнала максимален. Это значит, что ОУ должен выдерживать короткое замыкание на выходе в течение неограниченного времени и при максимальной рабочей температуре. Кроме того, параметры фиксирующих диодов должны быть такими, чтобы они сами не оказались выведенными из строя максимальным током источника сигнала. Таким источником часто бывает ОУ, который заметно нагревается, если оказывается в состоянии ограничения дольше нескольких секунд. Следовательно, особую осторожность надо соблюдать в ситуациях, когда необходимы минимальные дрейфы смещения.

В схеме на рис. 11.1а для установки положительного и отрицательного уровня ограничения применяются два встречно включенных стабилитрона. Схема на рис. 11.16 предназначена для ограничения только отрицательных напряжений, поэтому один из стабилитронов заменен на обычный диод. Наконец, в схеме на рис. 11.1в стабилитроны исключены вовсе; при этом источники напряжений ограничения должны быть способны поглотить предельный выходной ток ОУ, который обычно составляет несколько десятков миллиампер.

Рис. 11.1. Простейшие схемы ограничителей: а) двусторонний на стабилитронах, б) односторонний на стабилитроне, б) диодная фиксация на заданных уровнях.

Для ограничения входного тока фиксатора последовательно с источником сигнала можно включить резистор (рис. 11.2). Сопротивление резистора R должно быть выбрано таким, чтобы источник сигнала входил в насыщение по выходному напряжению, а не в режим ограничения тока; выбирать резистор R нужно с учетом рассеиваемой мощности.

Рис. 11.2. Включение резистора для ограничения тока.

Жесткое ограничение часто используется как простой способ защиты. Однако при этом трудно управлять уровнем ограничения, и значительная мощность выделяется в виде тепла. Кроме того, точность ограничения невысока, так гак часто у стабилитронов нет ярко выраженного излома на обратной ветви характеристики, а дифференциальное сопротивление стабилизации иногда слишком велико. Далее описаны более сложные способы ограничения напряжения на заданном уровне. Эффективное ограничение можно обеспечить в схемах с инвертирующим включением ОУ, установив стабилитрон между выходом и инвертирующим входом. Достоинство такого способа состоит в том, что ОУ не входит в режим ограничения выходного тога. На рис. 11.3 приведена схема простого инвертирующего усилителя-ограничителя.

У этого способа есть два принципиальных недостатка.

— Емкость -перехода. Быстродействие схемы снижается из-за влияния емкостей переходов стабилитронов, которые могут достигать десятков пФ, при этом надо учитывать два обстоятельства. Во-первых, ширина полосы сужается из-за шунтирующего действия этих емкостей, включенных параллельно резистору Во-вторых, увеличивается время переключения ограничителя из-за перезаряда емкостей переходов, что ухудшает параметры схемы при ограничении быстро изменяющихся сигналов.

— Токи утечки. У стабилитронов они достаточно велики, что может сказаться на работе некоторых чувствительных схем, например, интеграторов.

В схеме на рис. 11.4 стабилитрон постоянно находится в режиме стабилизации и включается в схему ограничителя через диодный мост. Поскольку стабилитрон находится в режиме стабилизации, напряжение на нем постоянно, и влияние его емкости перехода практически исключается (поскольку эта емкость в процессе работы схемы не перезаряжается — прим. ред.).

Быстродействие ограничителя определяется теперь, в основном, скоростью переключения диодов моста, которая намного выше, чем у стабилитрона,

Рис. 11.3. Инвертирующий усилитель-ограничитель со стабилитроном.

Рис. 11.4. Ограничитель на стабилитроне с диодным мостом.

поскольку емкости переходов высокочастотных диодов на порядок меньше. Влияние емкостей -переходов диодов моста при работе на линейном участке также значительно снижается. Объясняется это тем, что потенциалы точек А и В постоянны. Поэтому для сигналов переменного тока точки А и В практически заземлены, поскольку суммарная проводимость резисторов довольно велика (т.е. их параллельное сопротивление мало). Следовательно, емкости диодов оказываются включенными между инвертирующим входом ОУ и землей, а емкости диодов между выходом ОУ и землей. Паразитные емкости в этих точках схемы не вызывают значительного снижения быстродействия по сравнению с емкостью, параллельной резистору Эти емкости скорее могут привести к неустойчивости, особенно при использовании быстродействующего ОУ. Еще одно преимущество данной схемы состоит в том, что она обеспечивает более строгое ограничение, поскольку на ее работе не сказываются ни ток утечки, ни форма характеристики пробоя стабилитрона (стабилитрон не включен постоянно в цепь обратной связи ОУ). Ограничение обеспечивается обычными диодами, ток утечки которых значительно меньше, а характеристики переключения гораздо лучше.

Если влияние токов утечки стабилитрона или диодов все еще оказывается слишком велико, можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 11.5. Здесь ток утечки проходит через стабилитрон и резистор на землю, а не в точку суммирования токов (инвертирующий вход ОУ). Резистор отделен от инвертирующего входа ОУ встречно включенными диодами и VD. Резистор необходимо выбрать достаточно малым

Рис. 11.5. Уменьшение влияния токов утечки стабилитронов.

для того, чтобы ток утечки стабилитрона замыкался на землю только через него, а не через диоды VDX и VD2 (для этого падение напряжения на вызванное протеканием тога утечки, не должно превышать напряжения открывания диодов — прим. ред.). Однако, если резистор сделать слишком малым, то в режиме ограничения выходной ток ОУ сильно возрастает. Типичное значение находится в пределах от 100 Ом до 1 кОм. В качестве диодов следует применять диоды с малым током утечки, например серии PAD фирмы Siliconix. Отметим, что при установке в схему диодов уровни ограничения возрастают на величину их прямого падения напряжения.