Импульсные устройства на полупроводниковых диодах

Одним из основных элементов большинства импульсных устройств является электронный ключ, выполняющий функции коммутации цепей под действием сигналов. Поэтому рассмотрим возможности использования полупроводниковых диодов в ключевых режимах.

Диодные ключи. Применение диодов в ключевых схемах обусловлено их способностью проводить ток только в одном направлении. На рис. 1 , а изображена вольтамперная характеристика (ВАХ), форма которой свидетельствует о том, что при и > 0 сопротивление диода мало, а при и < 0 — велико. При аппроксимации ВАХ используют различные подходы:

=> для идеальной модели диода полагают, что при и > 0 диод способен пропускать ток любой величины (/ —> «>), при и < 0 ток / = 0, т. е. диод является идеальным ключом, находящимся в замкнутом состоянии при и > 0 и в разомкнутом состоянии при и < 0 (рис. 1,6);

=> при кусочно-линейной аппроксимации характеристики отрезками, проходящими через начало координат, идеальная модель в виде ключа дополняется резисторами: R_lip —> 0 при прямых напряжениях (и > 0) ^иобр —> оо при обратных напряжениях (и < 0), включенных, как показано на рис. 1, в;

=> при кусочно-линейной аппроксимации характеристики отрезками, не проходящими через начало координат, модель диода представляется в виде источников напряжения (?_отс— напряжение отсечки) и тока (I_s — ток насыщения) с соответствующими внутренними сопротивлениями (рис. 1, г).

Для пояснения принципов работы рассматриваемых устройств будем пользоваться моделью идеального полупроводникового диода (рис. 1,6).

Рис. 1. Диод как ключ и его вольт-амперные характеристики.

Амплитудные ограничители. Назначение. К этому классу относятся устройства, предназначенные в общем случае для офаничения мгновенного значения выходного сигнала заданными уровнями. Суть операции амплитудного офаничения состоит в том, чтобы при входном напряжении м_вх(/), мгновенное значение которого изменяется в пределах ?4хмнн—-^вхмакс1 мгновенные значения выходного напряжения ПС выходили за пределы диапазона, офаниченного значениями Е и Ei. Такую операцию выполняют двусторонние амплитудные офаничители. При одном заданном уровне Е или Ег выполняется операция одностороннего Офаничения, реализуемая Офаничителями с верхним и нижним уровнями.

Рассмофим простейшие схемы диодных ограничителей и их работу при гармоническом входном сигнале.

Последовательный ограничитель. В схеме такого ограничителя источник сигналов, полупроводниковый диод VD и на1рузка R образуют последовательную цепь (рис. 2,а).

При м_вх < +Е диод VD заперт, поэтому выходное напряжение w_BX = +Е; при w_BX > +Е диод VD открыт и выходное напряжение и_вх = м_вых (рис. 2,6). Следовательно, реализуется ограничение снизу.

Если изменить полярность включения диода VD, то при м_вх < +? диод VD открыт, поэтому выходное напряжение м_вх = м_вых; при и_вх > +Е диод VD заперт и выходное напряжение и_вх = +Е (рис. 2,в). В этом случае реализуется 01раничение сверху.

Рис. 2. Последовательный амплитудный ограничитель {а) и временные диаграммы выходного напряжения (б, в).

Параллельный ограничитель. В схеме такого ограничителя источник сигналов (реализован в виде источника напряжения м_вх с внутренним сопротивлением /?"), полупроводниковый диод VD и нагрузка R соединены параллельно (рис. 3, а).

При и_вх > +Е диод VD открыт и выходное напряжение и_вых = +Е (ограничено); при w_BX < +Е диод VD заперт, поэтому выходное напряжение м"ых⁼ Ru_BJ (R_H+R) (рис. 3,6). Следовательно, реализуется ограничение сверху.

Рис. 3. Параллельный амплитудный Рис. 4. Схема двустороннего.

ограничитель (а) и временные диаграммы амплитудного ограничителя входного и выходного напряжения (б).

Двусторонний ограничитель, схема которого изображена на рис. 4, реализует операцию двустороннего ограничения с верхним уровнем +Е| и нижним уровнем -Е₂.

Фиксаторы уровня. Назначение. К этому классу относятся устройства, предназначенные для фиксации (и изменения) среднего уровня выходной импульсной последовательности по отношению к входной последовательности. Фиксаторы уровня можно разделить на несколько групп:

=> фиксаторы уровня основания и уровня вершины. Например, фиксаторы уровня основания фиксируют на требуемом уровне основания входных импульсов. В частности, фиксаторы нулевого уровня позволяют восстановить постоянную составляющую;

=> фиксаторы начального уровня, осуществляющие фиксацию основания или вершины импульсов на заданном уровне;

=> фиксаторы уровня положительных и отрицательных импульсов, отличающихся полярностью импульсов, подлежащих фиксации. Фиксатор вершины импульсов на нулевом уровне. Помимо источника входных импульсных сигналов и_вх с внутренним сопротивлением R_u ~ 0 фиксатор (рис. 5, а) содержит конденсатор С, полупроводниковый диод VD и нагрузочный резистор R.

На интервале О. Д| (рис. 5,6) во время действия импульса входного напряжения и_вх = U диод VD открыт и напряжение на выходе фиксатора м_вых = 0. Конденсатор С заряжен (рис. 5, в), напряжение на конденсаторе ис = U (полярность напряжения показана на рис. 5,а).

На интервале ^…Ь входное напряжение и_вх = 0. В первый момент времени напряжение на конденсаторе остается неизменным, потенциал его левой обкладки равен нулю, поэтому м_ВЬ1Х = м_вх — ис = -U (м/?, = 0), и диод закрывается. Конденсатор начинает медленно разряжаться по цепиС —> R" —> м_вх —> R —" +С с постоянной времени, равной (/? + Я_И)С, что вызывает уменьшение напряжения на выходе м_вых ~ - ис (рис. 5, г).

На интервале t2—.h входное напряжение м_вх = U. В первый момент времени напряжение на выходе скачком изменяется до величины Мвых (Ь) = Uuc{ti) > 0 (рис. 5, г), диод открывается, и конденсатор быстро заряжается (с постоянной времени R"C) до напряжения и_с — V (рис. 5, я). Напряжение на выходе м_вых = м_вх — и_с = 0. Далее процессы повторяются.

Фиксатор начального уровня. В схему фиксатора (рис. 6, а) дополнительно введен источник постоянного напряжения Е.

На интервале 0… f| при м_вх = 0 (рис. 6,6) полупроводниковый диод открыт. Напряжение на выходе фиксатора м_вых = Е, конденсатор заряжен до напряжения и_с — -Е (рис. 6, в).

На интервале ^с появлением входного напряжения м_вх = U диод VD закрывается. Под действием положительного напряжения происходит перезаряд конденсатора С по цепи и_вх —"/?"—" С —> R Е с постоянной времени (R + R")C (рис. 6, в). Напряжение на выходе фиксатора м_ВЬ1Х = м_вх — - ^ис (^urh ~ 0) медленно убывает (рис. 6, г).

Рис. 5. Фиксатор вершины импульсов Рис. 6. Фиксатор начального уровня и принцип его работы и принцип его работы.

На интервале Ь…*з входное напряжение м_вх = 0. Диод VD открывается, и в первый момент происходит быстрый заряд конденсатора от источника напряжения Е с постоянной времени R"C до напряжения lie — -Е (рис. 6, в). Напряжение на выходе м_вых = 0 — = Е. Далее процессы повторяются.

Как следует из временных диаграмм (рис. 6, г), выходные импульсы повторяют форму входных, но со сдвигом по уровню на Е.

Ml