Зажим (электроника)

Зажим , (или схема фиксации , или зажим ) — это электронная схема которая фиксирует положительные или отрицательные пиковые отклонения сигнала до определенного напряжения путем добавления к нему переменного положительного или отрицательного напряжения постоянного тока. ^[2] Ограничитель не ограничивает размах сигнала (ограничение); он перемещает весь сигнал вверх или вниз, чтобы поместить его пики на опорный уровень.

Диодный зажим (простой, распространенный тип) состоит из диода , который проводит электрический ток только в одном направлении и предотвращает превышение сигнала опорного значения; и конденсатор , который обеспечивает смещение постоянного тока от накопленного заряда. Конденсатор образует постоянную времени с резисторной нагрузкой, которая определяет диапазон частот, в котором ограничитель будет эффективен.

Общая функция

Ограничитель привязывает верхний или нижний крайние значения сигнала к фиксированному уровню напряжения постоянного тока. Эти схемы также известны как восстановители напряжения постоянного тока. Зажимы могут быть изготовлены как с положительной, так и с отрицательной полярностью. В несмещенном состоянии цепи фиксации фиксируют нижний предел напряжения (или верхний предел в случае отрицательных фиксаторов) на уровне 0 В. Эти схемы фиксируют пик формы сигнала до определенного уровня постоянного тока по сравнению с сигналом с емкостной связью, который колеблется около своего среднего уровня постоянного тока.

Сеть ограничения — это сеть, которая «фиксирует» сигнал на другом уровне постоянного тока. Сеть должна иметь конденсатор, диод и, возможно, резистивный элемент и/или нагрузку, но она также может использовать независимый источник постоянного тока для внесения дополнительного сдвига. Величина R и C должна быть выбрана такой, чтобы постоянная времени RC была достаточно большой, чтобы гарантировать, что напряжение на конденсаторе не будет значительно разряжаться в течение периода, когда диод не проводит ток.

Типы

Цепи зажимов подразделяются по принципу их работы: отрицательные или положительные, смещенные или несмещенные. Схема положительного ограничения (ограничитель отрицательного пика) выводит чисто положительную форму сигнала из входного сигнала; он смещает входной сигнал так, что вся форма сигнала превышает 0 В. Отрицательное ограничение является противоположностью этому — оно выводит чисто отрицательную форму сигнала из входного сигнала. Напряжение смещения между диодом и землей смещает выходное напряжение на эту величину.

Например, входной сигнал с пиковым значением 5 В (V _INpeak = 5 В) подается на положительный зажим со смещением 3 В (V _BIAS = 3 В), пиковое выходное напряжение будет:

В _OUTpeak = 2 × V _INpeak + В _BIAS

В _OUTpeak = 2 × 5 В + 3 В

В _OUTpeak = 13 В

(Отклонение от пика до пика остается на уровне 10 В.)

Позитивный объективный

Положительный объективный зажим.

В отрицательном цикле входного сигнала переменного тока диод смещен в прямом направлении и проводит ток, заряжая конденсатор до пикового отрицательного значения V _IN . Во время положительного цикла диод смещен в обратном направлении и, следовательно, не проводит ток. Таким образом, выходное напряжение равно напряжению, хранящемуся в конденсаторе, плюс входное напряжение. ^[3] поэтому V _OUT = V _IN + V _INpeak . Это также называется схемой Виллара .

Отрицательный объективный

Отрицательный несмещенный зажим

Отрицательный несмещенный зажим является противоположностью эквивалентного положительного зажима. В положительном цикле входного сигнала переменного тока диод смещен в прямом направлении и проводит ток, заряжая конденсатор до пикового положительного значения V _IN . Во время отрицательного цикла диод смещен в обратном направлении и, следовательно, не проводит ток. Таким образом, выходное напряжение равно напряжению, хранящемуся в конденсаторе, плюс снова входное напряжение, поэтому V _OUT = V _IN − V _INpeak .

Позитивно предвзятый

Ограничение положительного смещения напряжения идентично эквивалентному несмещенному ограничению, но с выходным напряжением, смещенным на величину смещения V _BIAS . Таким образом, V _OUT = V _IN + (V _INpeak + V _BIAS ).

Негативная предвзятость

Ограничение напряжения с отрицательным смещением также идентично эквивалентному ограничению несмещенного напряжения, но с выходным напряжением, смещенным в отрицательном направлении на величину смещения V _BIAS . Таким образом, V _OUT = V _IN − (V _INpeak + V _BIAS ).

Схема операционного усилителя

На рисунке показана схема ограничения на основе операционного усилителя с ненулевым опорным напряжением ограничения. Преимущество здесь в том, что уровень ограничения находится точно на опорном напряжении. Нет необходимости учитывать прямое падение напряжения на диоде (что необходимо в предыдущих простых схемах, поскольку оно добавляется к опорному напряжению). Влияние падения напряжения на диоде на выходе схемы будет делиться на коэффициент усиления усилителя, что приведет к незначительной погрешности. Схема также имеет значительное улучшение линейности при малых входных сигналах по сравнению с простой диодной схемой и практически не зависит от изменений нагрузки.

Зажим для защиты входа

Ограничение можно использовать для адаптации входного сигнала к устройству, которое не может использовать или может быть повреждено диапазоном сигнала исходного входа.

Принципы работы

Во время первой отрицательной фазы входного переменного напряжения конденсатор в цепи положительного фиксатора быстро заряжается. Когда V _in становится положительным, конденсатор служит удвоителем напряжения; поскольку он сохранил эквивалент V _во время отрицательного цикла, он обеспечивает почти такое же напряжение во время положительного цикла. Это существенно удваивает напряжение, воспринимаемое нагрузкой. Когда V _in становится отрицательным, конденсатор действует как батарея с тем же напряжением, что и V _in . Источник напряжения и конденсатор противодействуют друг другу, в результате чего результирующее напряжение становится равным нулю, как видно из нагрузки.

Загрузка

Для фиксаторов пассивного типа с конденсатором, за которым параллельно нагрузке подключен диод, нагрузка может существенно повлиять на производительность. Величины R и C выбираются так, чтобы постоянная времени $\tau =RC$ , достаточно велико, чтобы гарантировать, что напряжение на конденсаторе не будет значительно разряжаться в течение периода непроводимости диода. Слишком низкое сопротивление нагрузки (большая нагрузка) приведет к частичному разряду конденсатора и приведет к отклонению пиков формы сигнала от предполагаемого напряжения фиксации. Этот эффект наиболее выражен на низких частотах. При более высокой частоте время между циклами разрядки конденсатора меньше.

Конденсатор не может быть изготовлен произвольно большой емкости для преодоления разряда нагрузки. Во время проводящего интервала конденсатор необходимо перезаряжать. Время, необходимое для этого, определяется другой постоянной времени, на этот раз определяемой емкостью и внутренним сопротивлением схемы управления. Поскольку пиковое напряжение достигается за четверть цикла, а затем снова начинает падать, конденсатор необходимо перезарядить за четверть цикла. Это требование требует низкого значения емкости.

Два противоречивых требования к значению емкости могут оказаться несовместимыми в приложениях с высоким импедансом возбуждения и низким импедансом нагрузки. В таких случаях необходимо использовать активную схему, такую как схема операционного усилителя, описанная выше.

Предвзятый против непредвзятого

Используя источник напряжения и резистор, фиксатор можно сместить, чтобы привязать выходное напряжение к другому значению. Напряжение, подаваемое на потенциометр, будет равно смещению от нуля (при условии, что диод идеальный) в случае положительного или отрицательного фиксатора (тип фиксатора будет определять направление смещения). Если отрицательное напряжение подается либо на положительное, либо на отрицательное значение, форма волны пересечет ось X и будет привязана к значению этой величины на противоположной стороне. Стабилитроны также можно использовать вместо источника напряжения и потенциометра, тем самым устанавливая смещение по напряжению Зенера.

Примеры

Цепи фиксации были обычным явлением в аналоговых телевизионных приемниках. Эти комплекты имеют схему восстановления постоянного тока, которая возвращает напряжение видеосигнала во время «заднего крыльца» периода гашения (обратного хода) линии до 0 В. Наведенные на сигнал низкочастотные помехи, особенно шум линии электропередачи, портят качество сигнала. рендеринг изображения и, в крайних случаях, приводит к потере синхронизации набора . Эти помехи можно эффективно устранить с помощью этого метода.

См. также

Clipper (электроника) — схема, которая накладывает фиксированный предел и не компенсирует сигнал.
Детектор огибающей — схема, выдающая максимум (или минимум); фиксатор с заменой диода и конденсатора
диод Шоттки
Демпфер — схема, которая снижает dV/dt или ограничивает пиковое напряжение, чтобы уменьшить искрение или пробой.

Ссылки

^ Мартин Хартли Джонс (1995). Практическое введение в электронные схемы . Издательство Кембриджского университета. п. 261. ИСБН 978-0-521-47879-3 .
^ Макаров Сергей Н.; Людвиг, Рейнхольд; Битар, Стивен Дж. (27 июня 2016 г.). Практическая электротехника . Швейцария: Springer International. п. 827. ИСБН 9783319211732 . ОСЛК 953450203 .
^ Горовиц, Пол; Уинфилд, Хилл (30 марта 2015 г.). Искусство электроники, третье издание . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. п. 37. ИСБН 9780521809269 .
^ С. П. Бали, Линейные интегральные схемы , стр. 279, Тата МакГроу-Хилл, 2008 г. ISBN 0-07-064807-7 .

Дальнейшее чтение

Р. М. Марстон (1991). Руководство по схемам диодов, транзисторов и полевых транзисторов . Новизна. стр. 13–17. ISBN 978-1-4831-3540-3 .
Справочник по применению выпрямителей HB214/D, ред. 2 . ОН Полупроводник . Ноябрь 2001 г., стр. 160–161.
Дж. А. Кукин (1975). Высокоскоростные импульсные методы . Пергамон. стр. 60–64. ISBN 978-1-4831-0548-2 .

[Jones1995-1] Мартин Хартли Джонс (1995). Практическое введение в электронные схемы . Издательство Кембриджского университета. п. 261. ИСБН 978-0-521-47879-3 .

[2] Макаров Сергей Н.; Людвиг, Рейнхольд; Битар, Стивен Дж. (27 июня 2016 г.). Практическая электротехника . Швейцария: Springer International. п. 827. ИСБН 9783319211732 . ОСЛК 953450203 .

[3] Горовиц, Пол; Уинфилд, Хилл (30 марта 2015 г.). Искусство электроники, третье издание . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. п. 37. ИСБН 9780521809269 .

[4] С. П. Бали, Линейные интегральные схемы , стр. 279, Тата МакГроу-Хилл, 2008 г. ISBN 0-07-064807-7 .

[1]

[2]

[3]

[4]