Файл: Кузьмич, В. И. Основы импульсной техники учебник.pdf

Глава 4

НЕЛИНЕЙНЫЕ ФОРМИРУЮЩИЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ЦЕПИ

§ 4.1. ФОРМИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ

Нелинейной электрической цепыо называется цепь, содер­ жащая хотя бы один нелинейный элмент, т. е. элемент, параметры которого зависят от приложенного напряже­

ния или протекающего тока.

Нелинейные реактивные элементы могут содержать нелиней­ ную емкость (например, р-п переход) или нелинейную индук­ тивность (например, катушка с ферромагнитным сердечни­ ком). Однако наиболее распространенными нелинейными эле­ ментами являются элементы с нелинейным активным сопро­ тивлением (лампы, полупроводниковые и газоразрядные при­ боры и др.).

Анализ нелинейных цепей сложнее анализа линейных це­ пей. Принцип наложения, лежащий в основе анализа линей­ ных цепей, не применим к нелинейным цепям. Электрические процессы в нелинейных цепях описываются нелинейными уравнениями. Универсальных методов решения нелинейных уравнений, пригодных для общего анализа прохождения сиг­ нала через нелинейную цепь, не существует. Поэтому при рассмотрении нелинейных цепей пользуются приближенными аналитическими методами, обычно применимыми для частных случаев, или графо-аналитическими методами.

Точное представление вольт-амперных характеристик не­ линейных элементов в аналитической форме невозможно. По­ этому для практических расчетов схем нелинейные вольт-ам­ перные характеристики заменяются аналитическими функция­ ми, приближенно отображающими реальные характеристики.

163

Представление реальной характеристики аналитическим приближением называется аппроксимацией характеристики.

Для импульсных схем при больших уровнях сигнала часто применяется кусочно-линейная аппроксимация, при которой линейная зависимость между током и напряжением справед­ лива только для участка характеристики. Кусочно-линейная аппроксимация не является заменой нелинейной цепи линей­ ной, так как зависимость оказывается различной на разных участках. Следовательно, характеристика в целом оказывает­ ся нелинейной.

При воздействии на линейную цепь сигнала любой формы не могут возникать новые частотные составляющие, т. е. ли­ нейная цепь не обладает свойствами трансформации спектра. Возможность трансформации спектра с помощью нелинейных цепей приводит к принципиальному различию между форми­ рующими свойствами линейной и нелинейной цепей.

Линейные цепи могут изменять форму сигнала и его спектр за счет избирательности (фильтрации частотных составляю­ щих). При этом может происходить только обеднение спект­ ра. Например, из перепадов напряжения (бесконечного спект­ ра) образуется с помощью колебательного контура (за счет избирательности) гармоническое колебание, содержащее одну частотную составляющую.

Нелинейные цепи могут изменять форму сигнала за счет трансформации спектра, т. е. создания новых частотных со­ ставляющих, обогащения спектра. Например, с помощью не­ линейной цепи можно сформировать из синусоидального на­ пряжения (спектр которого содержит одну частоту) прямо­ угольные импульсы с бесконечно широким спектром.

В настоящей главе рассматривается применение нелиней­ ных формирующих цепей для ограничения амплитуды.

§ 4.2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОГРАНИЧИТЕЛЯХ АМПЛИТУД

Ограничителем называется нелинейное формирующее устройство, изменяющее форму входного сигнала за счет «срезания» той его части, которая выходит за пределы опре­ деленного заданного уровня, называемого порогом ограниче­ ния.

Ограничитель может быть в общем случае представлен четырехполюсником (рис. 4.1). Напряжение на выходе огра­

161

ничителя остается практически постоянным, если входное на­ пряжение выходит за пределы порога ограничения. Напряже­ ние на выходе ограничителя пропорционально входному на-

без искажений часть входного сигнала, не превышающая уро­

Часть входного сигнала, превышающая порог ограничения (//,>67,1.10, передается па выход ограничителя без искажении.

При двухстороннем ограничении (рис. 4.2, в) входной сиг­ нал передается на выход без искажении, если £/ii.ii< h,

Часть сигнала, выходящего за пределы порогов ограниче­ ния, срезается ограничителем.

Принцип ограничения заключается в следующем. Если щ не выходит за пределы порога ограничения, то ограничитель работает как линейная цепь, происходит передача сигнала с входа на выход без искажения. Если щ выходит за пределы порога ограничения, происходит резкое изменение проводи­ мости нелинейного элемента, входящего в схему ограничи­ теля. Входной сигнал перестает управлять током выходной цепи. Выходное напряжение становится постоянным.

Из принципа действия ограничителя следует, что в состав ограничителя обязательно должен входить нелинейный эле­ мент, обладающий нелинейным активным сопротивлением. В зависимости от типа применяемого нелинейного элемента ограничители делятся на следую'щие типы:

1)диодные ограничители;

2)ограничители-усилители на лампах;

3)ограничители-усилители на транзисторах.

1С5

§ 4.3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ДИОДНЫЙ ОЕРАНИЧИТЕЛЬ

1. Аппроксимация характеристики диода

Наиболее простыми являются ограничители, в которых не­ линейным элементом служит вакуумный или полупроводнико­ вый диод.

L

Рис. 4.3

Будем анализировать диодные ограничители для общего случая, когда в качестве нелинейного элемента (вентиля) мо­ жет быть использован как вакуумный, так и полупроводнико­ вый диоды. На рис. 4.3, а и 4,3, б приводятся вольт-амперные характеристики вакуумного и полупроводникового диодов. Для упрощения анализа работы ограничителей обе эти

187

для вакуумного диода и сотням килоом для полупроводнико­

вого диода).

Геометрически сопротивление диода может быть выраже­ но углом наклона вольт-амперной характеристики (рис. 4.3, в) на двух участках

гар “ ctg а, гобр = ctg ß .

2. Последовательный диодный ограничитель с порогом ограничения, равным нулю

В этом ограничителе диод включается в цепь последова­ тельно с сопротивлением нагрузки (рис. 4.4). Графики, пояс­ няющие процессы в ограничителе, приведены на рис. 4.5 Если мі>0, то диод открыт. В цепи протекает ток

(4.1)

Гпр “Ь R a

Ü

Рис. 4.4

Этот ток создает на нагрузочном резисторе выходное напря­ жение

На основании уравнения (4.2) можно построить амплитудную характеристику ограничителя для ыі>0. Эта характеристика

168

д

Рис. 4.7

170

торого изображена на рис. 4.4, является ограничителем снизу с порогом ограничения Ua.« = 0.

Если в схеме рис. 4.4 поменять полярность включения диода, то получим схему, изображенную на рис. 4.6, в которой диод открывается при ui<0 и запирается при мі>0. Для огра­ ничителя рис. 4.6 коэффициент передачи равен единице при ui< 0 и равен нулю при «і>0. Амплитудная характеристи­ ка и временные графики, поясняющие работу, приведены на рис. 4.7. Как следует из этого рисунка, ограничитель, соб­

при котором диод запирается и прекращается подача сигнала с входа на выход ограничителя.

На схеме рис. 4.8, а изображен ограничитель снизу с уров­ нем ограничения £ /п.н = — Е ѵ Для этой схемы при их< —Е\ диод заперт, выходное напряжение равно напряжению источ­ ника смещения —Е\. При Ыі>—Е\ диод открывается, паде­ ние напряжения на диоде практически равно нулю, т. е. вы­ ходное напряжение равно входному. Временные графики для

171