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. 5.11, а изображена вольт-амперная характеристика, 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 (i оо), при и < 0 ток i = 0, т. е. диод является идеальным ключом, находящимся в замкнутом состоянии при и > 0 и в разомкнутом состоянии при и < 0 (рис. 5.11, б);

Рис. 5.11. Диод как ключ и его вольт-амперные характеристики.

• • при кусочно-линейной аппроксимации характеристики отрезками, проходящими через начало координат, идеальная модель в виде ключа дополняется резисторами: R —> 0 при прямых напряжениях (и > 0) и R_o6 —? оо при обратных напряжениях (и < 0), включенных, как показано на рис. 5.11, в;
• • при кусочно-линейной аппроксимации характеристики отрезками, не проходящими через начало координат, модель диода представляется в виде источников напряжения (Е_отс — напряжение отсечки) и тока (I_s — ток насыщения) с соответствующими внутренними сопротивлениями (рис. 5.11, г).

Для пояснения принципов работы рассматриваемых устройств будем пользоваться моделью идеального полупроводникового диода (см. рис. 5.11, в).

Амплитудные ограничители. Назначение. К этому классу относятся устройства, предназначенные в общем случае для ограничения мгновенного значения выходного сигнала на заданных уровнях. Суть операции амплитудного ограничения состоит в том, чтобы при входном напряжении и_вх(?), мгновенное значение которого изменяется в пределах t/_BX MIIII — U_{BX макс}, мгновенные значения выходного напряжения не выходили за пределы диапазона, ограниченного значениями Е_{ и Е₂. Такую операцию выполняют двусторонние амплитудные ограничители. При одном заданном уровне Е_{ или Е₂ выполняется операция одностороннего ограничения, реализуемая ограничителями с верхним и нижним уровнями.

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

Последовательный ограничитель. В схеме такого ограничителя источник сигналов, полупроводниковый диод VD и нагрузка R образуют последовательную цепь (рис. 5.12, а).

При u_RX < +? диод VD заперт, поэтому выходное напряжение м_вх = +?; при и_кх > +Е диод VD открыт и выходное напряжение и_ьх ^{= и}вых (Р^ис— 5.12, 6). Следовательно, реализуется ограничение снизу.

Если изменить полярность включения диода VD, то при u_liX < +Е диод VD открыт, поэтому выходное напряжение u_RX = м_ВЬ1Х; при и_нх > +Е

Рис. 5.12. Последовательный амплитудный ограничитель (а) и временные диаграммы выходного напряжения (б, в).

диод VD заперт и выходное напряжение и_кх = +Е (рис. 5.12, в). В этом случае реализуется ограничение сверху.

Параллельный ограничитель. В схеме такого ограничителя источник сигналов (реализован в виде источника напряжения и_ах с внутренним сопротивлением RJ, полупроводниковый диод VD и нагрузка R соединены параллельно (рис. 5.13, а).

При и_вх > +Е диод VD открыт и выходное напряжение м_вых = +Е (ограничено); при и_т < +Е диод VD заперт, поэтому выходное напряжение и_вых = Ru_m/(R_H + R) (рис. 5.13, б). Следовательно, реализуется ограничение сверху.

Рис. 5.13. Параллельный амплитудный ограничитель (а) и временные диаграммы входного и выходного напряжения (б).

Двусторонний ограничитель, схема которого изображена на рис. 5.14, реализует операцию двустороннего ограничения с верхним уровнем +Е_] и нижним уровнем -Е_г.

Рис. 5.14. Схема двухстороннего амплитудного ограничителя.

Фиксаторы уровня. 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 па 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. 5.15, а) содержит конденсатор С, полупроводниковый диод VD и нагрузочный резистор R.

На интервале 0 —(рис. 5.15, 6) во время действия импульса входного напряжения и_вх = Uдиод VD открыт и напряжение на выходе фиксатора м_вых ~ 0. Конденсатор С заряжен (рис. 5.15, в), напряжение на конденсаторе и_с= U (полярность напряжения показана на рис. 5.15, а).

Рис. 5.15. Фиксатор вершины импульсов (а) и временные диаграммы его работы (б— г).

На интервале — t₂ входное напряжение и_вх = 0. В первый момент времени напряжение на конденсаторе остается неизменным, потенциал его левой обкладки равен нулю, поэтому м_вых = и_вх — и_с = —U (ид_и ~ 0), и диод закрывается. Конденсатор начинает медленно разряжаться по цепи -C—*R_H—*u_BX—*R—>+C с постоянной времени, равной (R + RJC, что вызывает уменьшение напряжения на выходе и_вых ~ -и_с (рис. 5.15, г).

На интервале t₂ — t₃ входное напряжение и_пу = U. В первый момент времени напряжение на выходе скачком изменяется до величины м_вь|Х(?₂) = U — u_c(t₂) > 0 (см. рис. 5.15, г), диод открывается, и конденсатор быстро заряжается (с постоянной времени R_nC) до напряжения и_с= U (см. рис. 5.15, е). Напряжение на выходе м_вь]Х = = м_вх — и_с = 0. Далее процессы повторяются.

Фиксатор начального уровня. В схему фиксатора (рис. 5.16, а) дополнительно введен источник постоянного напряжения Е.

На интервате 0 — при и_1К = 0 (рис. 5.16, б) полупроводниковый диод открыт. Напряжение па выходе фиксатора м_вых = Е, конденсатор заряжен до напряжения и_с —Е (рис. 5.16, в).

На интервале ?, — t₂c появлением входного напряжения м_вх = U диод VD закрывается. Под действием положительного напряжения происходит перезаряд конденсатора С по цени и_ИХ —* /?_и —" С —* R—> Е с постоянной времени (R + RJC (см. рис. 5.16, в). Напряжение на выходе фиксатора г/_вых = и_н:, — и_с (u_Rn 0) медленно убывает (рис. 5.16, г).

На интервале t₂ —1₃ входное напряжение и_т = 0. Диод VD открывается, и в первый момент происходит быстрый заряд конденсатора от источника напряжения Е с постоянной времени R_ltC до напряжения и_с = -Е (см. рис. 5.16, в). Напряжение на выходе и_пых = 0 -и_с — Е. Далее процессы повторяются.

Как следует из временных диаграмм (см. рис. 5.16, г), выходные импульсы повторяют форму входных, но со сдвигом, но уровню на Е.

Рис. 5.16. Фиксатор начального уровня (а) и временные диаграммы его работы (б —г).