3.3: Машинки для стрижки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 30807

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Іноді корисно обмежити максимальну амплітуду сигналу. Це може бути зроблено для захисту, наприклад, коли занадто великий вхідний сигнал може пошкодити наступну схему. Він також може бути використаний як засіб формування хвиль, тобто перетворення сигналу в іншу форму. Хорошим прикладом є чисто естетичне бажання наслідувати звучання «пухової» гітари. У перші дні рок-музики було виявлено, що надмірне керування гітарним підсилювачем, намагаючись зробити його голосніше, створило значні спотворення, і це створило нову та цікаву якість звуку. Технічно це багато в чому викликано силовим каскадом підсилювача, що досягає свого максимального вихідного рівня. Будь-яка частина форми хвилі вище цього рівня просто відрізається або обрізається ¹. Практична проблема тут полягає в тому, що єдиний спосіб досягти цього звуку - це підняти гучність гітарного підсилювача до десяти ² і жити з супутнім високим рівнем гучності. Чи не дуже популярний у сусідів, це точно. На відміну від цього, якщо сигнал може бути обмежений перед каскадом підсилювача потужності в спробі імітувати відсікання, ефект може бути досягнутий без результуючої гучності. Це виявилося настільки популярним серед гітаристів, що до 1970-х років численні компанії виготовляли «fuzz boxes» і «педалі спотворення», кожна зі своїм поворотом на концепцію.

Найпростіша форма кліпера розміщує діод (або два паралельних діода протилежної полярності) паралельно навантаженню. Діод обмежить коливання вихідної напруги своїм потенціалом включення вперед; 0,7 вольт для кремнієвого пристрою. Ця схема дещо обмежує (каламбур призначений), оскільки ви застрягли з граничним значенням 0.7 вольта. Що робити, якщо нам потрібно обмежитися якимось іншим потенціалом, скажімо, 12 вольт? У той час як можна укладати купу діодів послідовно для збільшення граничної точки, більш гнучкий і практичний підхід передбачає зміщення діода з джерелом постійного струму. Це називається зміщений діодний кліпер.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Упереджений позитивний кліпер.

Зміщений діодний кліпер, який використовується для обмеження позитивних сигналів, показаний на малюнку\(\PageIndex{1}\). Операція полягає в наступному. Для будь-якого вхідного сигналу, який є менш позитивним, ніж потенціал зміщення\(V_{clip}\), діод буде перебувати в зворотному зміщенні. Це означає, що діодна гілка представляє високий опір і ефективно видаляється зі схеми. Тому\(V_{in}\) протікає\(R\) до виходу безперешкодно. Якщо вхідний сигнал перевищує приблизно\(V_{clip}\) на 0,7 вольта, включається діод, що призводить до дуже низького внутрішнього опору. Оскільки внутрішній опір джерела постійного струму також дуже низький, це створює низький шлях імпедансу до землі і призводить до подільника напруги с\(R\). Як і\(R\) набагато більше значення опору, практично весь вхідний сигнал вище напруги включення буде скинутий поперек\(R\), ніколи не досягаючи виходу. Тому ми можемо контролювати або програмувати точку кліпу, регулюючи напругу зміщення. Відсікання буде відбуватися при приблизно\(V_{clip}\) плюс 0,7 вольт, припускаючи, що використовується кремнієвий діод.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Упереджений негативний кліпер.

Негативна упереджена машинка для стрижки показана на малюнку\(\PageIndex{2}\). І діод, і напруга зміщення постійного струму були перевернуті до протилежної полярності. Робота цієї схеми схожа на позитивну машинку для стрижки. У цьому варіанті негативний потенціал зміщення забезпечує зворотне зміщення діода до тих пір, поки вхідний рівень є більш позитивним, ніж\(V_{clip}\) мінус 0,7 вольт. Як тільки вхідний сигнал опускається нижче цієї напруги, діод включається створення шляху замикання і обмеження вихідної напруги.

Біполярний або двополярний машинка для стрижки може бути створена шляхом поєднання позитивних і негативних кліперів. Можна самостійно обмежити позитивні і негативні коливання, як показано в наступному прикладі.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Визначте вихідний сигнал для схеми на рис\(\PageIndex{3}\). Вхідна напруга - це пікова синусоїда 12 вольт при 100 Гц. \(D_1\)і\(D_2\) є кремнієвими комутаційними діодами. \(R = 10\)k\(\Omega\),\(V_1 = 4\) вольт і\(V_2 = 8\) вольт.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Подвійний кліпер для прикладу\(\PageIndex{1}\).

По-перше, зауважте, що точне значення\(R\) тут не має значення. Він просто повинен бути значно більше, ніж на опір діодів. Виходячи з нашого попереднього дослідження опору діода в розділі 2 (див. Обговорення навколо рис. 2.4.3), ймовірно, що динамічний опір діода буде менше 100\(\Omega\) після досягнення повного повороту. Цей коефіцієнт опору більш ніж достатній для створення ефективного дільника напруги.

Позитивний рівень кліпу буде встановлено за допомогою\(V_1\). Додаючи в прямому потенціалі,\(D_1\) ми приходимо до 4,7 вольта. Від'ємний рівень кліпу буде встановлено за допомогою\(V_2\). У тому числі в прямому потенціалі\(D_2\) ми приходимо до −8,7 вольт.

Таким чином, ми очікуємо побачити синусоїду, яка обрізається при +4,7 вольт і −8,7 вольт. Він повинен виглядати як своєрідний однобокий хрест між синусоїдою і квадратною хвилею.

Комп'ютерне моделювання

Щоб перевірити та візуалізувати наші обчислення, схема Прикладу\(\PageIndex{1}\) моделюється за допомогою перехідного аналізу. Схема схеми показана на малюнку\(\PageIndex{4}\). Для діодів використовуються загальні комутаційні діоди 1N914.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Схема моделювання для подвійного кліпера Приклад\(\PageIndex{1}\).

Результати перехідного аналізу наведені на рис\(\PageIndex{5}\). Форма вхідної хвилі показана червоним кольором, а форма вихідної хвилі показана синім кольором. Вхідна синусоїда з'являється, як очікувалося, із зазначеним піком 12 вольт. Вивід ідеально слідує за вхідними даними для всіх значень, які знаходяться в точках кліпу. Поза точками затиску вихідна напруга вирівнюється. Тобто він обмежений трохи нижче +5 вольт (запрограмовані +4,7) і трохи вище −9 вольт (запрограмовані −8,7 вольт).

Ретельний огляд графіка вихідної форми сигналу виявляє, що він не ідеально рівний на межі напруги. Насправді спостерігається невелике заокруглення, яке найбільш помітно в бік переходів. Це пов'язано з тим, що діоди включаються не відразу. Динамічний опір діодів змінюється разом з розмірами сигналу. Тобто, чим більше вхідний сигнал вище точки кліпу, тим більше струму, який буде протікати, і, таким чином, динамічний опір зменшується, посилюючи ефект дільника напруги.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Перехідний аналіз для подвійного кліпера Приклад\(\PageIndex{1}\).

Посилання

¹ Ми докладніше розглянемо відсікання підсилювача в розділах, які охоплюють підсилювачі потужності.

² Або одинадцять, якщо у вас є спеціальний підсилювач Spinal Tap.