7.3: Формування хвиль
- Page ID
- 35306
7.3.1: Активні затискачі
Затискачі використовуються для додавання певної кількості постійного струму до сигналу. Як правило, кількість постійного струму буде дорівнює піковому значенню сигналу. Затискачі інтелектуальні тим, що вони можуть регулювати величину постійного струму, якщо пікове значення вхідного сигналу змінюється. В ідеалі затискачі не змінять форму вхідного сигналу; скоріше, вихідний сигнал - це просто «вертикально зміщений» варіант входу, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Одне з поширених застосувань затискача - в телевізійних приймачах. Тут затискач іменується відновлювачем постійного струму. Певні частини відеосигналу, такі як імпульси синхронізації, повинні бути на певних рівнях. Після того, як відеосигнал посилюється за допомогою ступенів посилення змінного струму, відновник постійного струму повертає відео до нормальної орієнтації. Без затискної дії різні частини сигналу не можуть бути декодовані належним чином. Затискачі зазвичай виготовляються з пасивними компонентами, як і випрямлячі. Як і випрямлячі, прості затискачі видають помилки, викликані прямим падінням напруги діода. Активні затискачі видаляють цю помилку.
Малюнок\(\PageIndex{1}\): Вплив затискачів на вхідний сигнал a. вхідний сигнал (зліва) b. затиснуті виходи (праворуч).
Концептуально затискач повинен відчувати амплітуду вхідного сигналу і створити сигнал постійного струму рівного значення. Цей сигнал постійного струму потім додається до входу, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\). Якщо пікове значення відомо, і не змінюється, можна створити цю функцію за допомогою підсумовуючого підсилювача. Якщо рівень сигналу динамічний, потрібно взяти інший курс. Хитрість полягає в тому, щоб джерело постійного струму правильно відстежувати зміни вхідного рівня. Очевидно, що просте джерело постійного струму не підходить; однак заряджений конденсатор буде добре відповідати купюрі - до тих пір, поки його постійна часу розряду набагато довша, ніж період вхідної хвилі. Все, що потрібно зробити - це мати заряд конденсатора до пікового рівня входу. Коли напруга конденсатора додається до вхідного сигналу, відбудеться відповідний зсув постійного струму.
Малюнок\(\PageIndex{2}\): Проста модель затискача.
\(\PageIndex{3}\)На малюнку показаний активний позитивний затискач. На першому негативному піку входу джерело намагатиметься витягнути струм через конденсатор у вказаному напрямку. Це змушує інвертувати вхід операційного підсилювача трохи негативним, створюючи тим самим позитивний вихід операційного підсилювача. Результатом цієї дії буде вперед-зміщення діода і подача зарядного струму на конденсатор. Конденсатор буде заряджатися до негативного пікового значення входу. Вихідний опір операційного підсилювача дуже низький, тому зарядка відносно швидка, обмежуючись лише максимальним вихідним струмом операційного підсилювача. Коли джерело змінює напрямок, операційний підсилювач видасть негативний вихід, таким чином вимикаючи діод і ефективно видаляючи операційний підсилювач зі схеми. Оскільки час розряду\(C\) набагато довше, ніж період введення, його потенціал залишається приблизно\(V_{p-}\). Тепер він діє як джерело напруги. Ці два джерела додають, тому ми бачимо, що вихід повинен бути:
\[ V_{out} = V_{in} + |V_{p-}| \label{7.1} \]
Малюнок\(\PageIndex{3}\): Активний позитивний затискач.
Операційний підсилювач залишиться в насиченні до наступного негативного піку, в цей момент конденсатор буде заряджатися. У період зарядки контур зворотного зв'язку замкнутий, і, таким чином, пряме падіння діода компенсується операційним підсилювачем. Іншими словами, вихід операційного підсилювача буде приблизно на 0,6 - 0,7 В вище потенціалу інвертуючого входу. Час розряду ланцюга задається навантажувальним резистором,\(R_l\). Якщо потрібні особливо тривалі константи часу, може бути використаний буферний етап, а також операційний підсилювач затиску входу FET. Резистор\(R\) використовується для запобігання можливого пошкодження операційного підсилювача від розряду конденсатора. Це значення, як правило, знаходиться в області низького кілома. Для того щоб зробити негативний затискач, досить змінити полярність діода.
Іноді бажано затиснути сигнал і додати фіксоване зміщення, а також. Приклад вихідної форми сигналу цього типу показаний на малюнку\(\PageIndex{4}\).
Малюнок\(\PageIndex{4}\): Затиснутий вихід зі зміщенням.
Цю функцію відносно легко додати в базовий затискач. Для того, щоб включити зміщення, все, що потрібно зробити, це змінити контрольну точку операційного підсилювача. У базовому затискачі неинвертирующий вхід прив'язаний до землі. Отже, це встановлює точку, в якій починається цикл заряду/розряду. Якщо це посилання змінено, точка заряду/розряду також змінюється. Для створення позитивного зсуву до неінвертирующего входу подається сигнал постійного струму, рівний зміщенню, як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\). Подібне розташування може бути використано і для негативних затискачів.
Малюнок\(\PageIndex{5}\): Активний позитивний затискач зі зміщенням.
Приклад\(\PageIndex{1}\)
Активний затискач показаний на малюнку\(\PageIndex{6}\). Використовується операційний підсилювач LF412 (подвійний LF411). Визначте напругу конденсатора і переконайтеся, що постійна часу підходить для вхідної форми хвилі. Також намалюйте форму вихідної хвилі та визначте максимальну диференціальну вхідну напругу для першого операційного підсилювача.
Малюнок\(\PageIndex{6}\): Активна схема затискача (зверху) та форма вхідної хвилі (знизу), наприклад\(\PageIndex{1}\).
Оскільки це позитивний затискач, напруга конденсатора - це сума потенціалу зсуву та негативного пікового потенціалу вхідної форми хвилі. \(V_{offset}\)встановлюється\(\Omega\) дільником 10\(\Omega\) к/1,5 к.
\[ V_{offset} = V_{CC} \frac{R_2}{R_1+R_2} \nonumber \]
\[ V_{offset} = 15 V \frac{1.5 k}{10 k+1.5 k} \nonumber \]
\[ V_{offset} = 1.96 V \nonumber \]
\[ V_c = V_{offset} + |V_{p-}| \nonumber \]
\[ V_c = 1.96 V+|−1 V| \nonumber \]
\[ V_c = 2.96 V \nonumber \]
Це кількість постійного струму, що додається до вхідного сигналу. Форма вихідного сигналу буде виглядати так само, як вхідний, за винятком того, що вона буде зміщена вгору на 2.96 В. Це показано на малюнку\(\PageIndex{7}\).
Малюнок\(\PageIndex{7}\): Вихід затискача для Приклад\(\PageIndex{1}\).
Постійна часу розряду повинна бути набагато більше періоду вхідної хвилі. Вхідна хвиля має частоту 1 кГц, а значить, період 1 мс. Конденсатор розряджається через навантажувальний резистор. Оскільки використовуються вхідні операційні підсилювачі FET, їх вплив на швидкість розряду мінімальний.
\[ T = R_l C \nonumber \]
\[ T = 10 M\times 10nF \nonumber \]
\[ T = 0.1s \nonumber \]
Швидкість розряду в 100 разів більше, ніж вхідний період, тому падіння конденсатора буде задовільним.
Максимальний диференціальний вхідний сигнал - це найгірша різниця між інвертуючим та неінвертуючим вхідними потенціалами. Неінвертуючий вхід прив'язаний безпосередньо до 1.96 В. Інвертуючий вхід бачить форму вихідної хвилі. Максимальне значення вихідного - 5,96 В. Отже, різниця дорівнює
\[ V_{in-diff} = V_{in +} − V_{in -} \nonumber \]
\[ V_{in-diff} = 1.96 V−5.96 V \nonumber \]
\[ V_{in-diff} = −4 V \nonumber \]
LF412 не матиме проблем з диференціальним входом такого розміру.
Комп'ютерне моделювання
Моделювання схеми затискача Приклад\(\PageIndex{1}\) наведено на рис\(\PageIndex{8}\). Щоб дещо спростити моделювання, вхідний сигнал був змінений скромно. Замість спочатку використовуваного зміщеного 4-вольтового випрямленого сигналу від піку до піку використовується зсунута синусоїда 4 вольта від піку до піку.
Малюнок\(\PageIndex{8a}\): Схема затискача в Multisim.
Як вхідні, так і вихідні сигнали побудовані в перехідному аналізі. Схема вимагає близько 1 циклу форми хвилі, перш ніж вихід стабілізується. Після цього затискна дія та зсув майже 2 вольт цілком очевидні у формі вихідної хвилі. У виході також немає помітного падіння, помилки масштабування або очевидних спотворень, хоча деякі незначні аберації можуть бути помітні на негативних піках іноді.
Малюнок\(\PageIndex{8b}\): Форми хвиль затискачів.
7.3.2: Активні обмежувачі
Обмежувач - це схема, яка встановлює максимальне обмеження на його вихідний рівень. Вихід обмежувача ніколи не може бути вище певного заданого рівня. В одному сенсі всі активні ланцюги є обмежувачами, в тому, що всі вони в кінцевому підсумку будуть затискати сигнал, перейшовши в насичення. Правда, справжній обмежувач забороняє сигнал на рівнях, значно нижчих за насичення. Точний рівень встановити досить просто. Обмежувачі можуть бути використані для захисту наступних ступенів від надмірних вхідних рівнів. Їх також можна розглядати як тип формувача хвиль. Одна форма обмежувача була показана в главі шостій, в схемі Pocket Rockit. У цій схемі обмежувач використовувався для навмисного кліпу музичного сигналу для художнього ефекту. Обмеження цієї форми полягає в тому, що граничний потенціал блокується на рівні\(\pm\) .7 В паралельними сигнальними діодами. Для більш загальної форми бажаний довільний граничний потенціал. Замість використання паралельних сигнальних діодів корисною виявиться серійна комбінація стабілітронів.
Малюнок\(\PageIndex{9}\): Активний обмежувач.
Приклад обмежувача показаний на рис\(\PageIndex{9}\). Він заснований на формі інвертуючого підсилювача напруги. Поки вихідний сигнал нижче потенціалу стабілітрона, вихід дорівнює вхідному коефіцієнту посилення напруги. Якщо вихідна напруга спробує піднятися вище потенціалу стабілітрона, один з діодів піде в стабілітрону провідності, а інший діод піде в прямому зміщенні. Як тільки це станеться, низький динамічний опір діодів заборонить будь-яке подальше збільшення вихідного потенціалу. На виході не буде дозволено рухатися за межі потенціалу стабілітрона (плюс включення 0,7 В для другого діода):
\[ |V_{out}| \leq V_{zener} + 0.7V \label{7.2} \]
Або ми могли б переформулювати це як
\[ V_{limit} = \pm (V_{zener} + 0.7 V) \label{7.3} \]
Цей ефект зображений графічно на малюнку\(\PageIndex{10}\), передавальної характеристики обмежувача.
Малюнок\(\PageIndex{10}\): Передача характеристики обмежувача.
Приклад\(\PageIndex{2}\)
Якщо на вході в схему малюнка\(\PageIndex{11}\) є пікова хвиля трикутника 4 В, намалюйте\(V_{out}\).
Без стабілітронів граничних діодів цей підсилювач просто помножив би вхід на коефіцієнт посилення в два і інвертує його.
\[ V_{out} = A_v V_{in} \nonumber \]
\[ V_{out} = −2\times 4 V (peak) \nonumber \]
\[ V_{out} = −8V (peak) \nonumber \]
Малюнок\(\PageIndex{11}\): Обмежувач для прикладу\(\PageIndex{2}\).
Отже, перевернутий піковий трикутник 8 В буде виходом. При включенні діодів максимальний вихід дорівнює
\[ V_{limit} = \pm (V_{zener} + 0.7 V) \nonumber \]
\[ V_{limit} = \pm (5.1 V + 0.7 V) \nonumber \]
\[ V_{limit} = \pm 5.8 V \nonumber \]
Отже, вихідна хвиля обрізається при 5,8 В, як показано на малюнку\(\PageIndex{12}\).
Використовуючи різні стабілітрони, також можна виробляти асиметричне обмеження. Наприклад, позитивні сигнали можуть бути обмежені 10 В, тоді як негативні сигнали можуть бути обмежені до -5 В.
Малюнок\(\PageIndex{12}\): Вхідні/вихідні сигнали обмежувача наприклад\(\PageIndex{2}\).