3.6. Транзисторный усилитель-ограничитель

Усилители-ограничители выполняются на усилительных элементах и наряду с ограничением напряжения обеспечивают его усиление. Ограничение в таких устройствах осуществляется за счет использования нелинейных областей вольтамперных характеристик усилительных элементов.

При формировании прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения эти ограничители могут обеспечивать большую амплитуду и более высокую крутизну фронтов, чем диодные при тех же входных напряжениях. Недостатком усили­телей-ограничителей является большая сложность схемы.

Наличие областей насыщения и отсечки позволяет выполнить на транзисторе двусторонний усилитель-ограничитель (рис. 3.22, а). В такой схеме транзистор работает в режиме ключа, переходя из насыщенного состояния в запертое и обратно. При этом конденсатор C1 заряжается с полярностью, указанной на рис. 3.22, а, за счет того, что ток зарядки через насыщенный транзистор больше тока разрядки через R1, когда транзистор заперт. Диод Д дает возможность разделительному конденсатору на входе быстро разряжаться и тем самым предотвращает «сползание» исходной рабочей точки (подробнее об этом в п. 3.8).

Чтобы напряжение на выходе ограничителя было симметрично относительно оси времени, исходная рабочая точка А (рис. 3.22, б) выбирается на нагрузочной прямой так, чтобы изменения коллекторного тока до границы насыщения и до начала отсечки были одинаковы ( = ).

При нарастании отрицательной полуволны входного напряжения рабочая точка перемещается вдоль нагрузочной прямой вверх, ток коллектора увеличивается, а напряжение на нем падает. При некотором значении базового тока (на рис. 3.22, б этому соответствует ток iб = 160 мкА) наступает насыщение, при котором изменение входного напряжения не вызывает изменения iК и RH.

Уменьшение напряжения uВХ в тот же полупериод приводит к выходу транзистора из насыщения и возвращению рабочей 1точки в активную область. Теперь при изменении входного напряжения она движется по нагрузочной прямой вниз и при uВХ = 0 сливается с точкой А.

Положительная полуволна входного напряжения уменьшает коллекторный ток; за счет этого увеличивается напряжение на коллекторе (рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой вниз). При некотором значении uВХ наступает режим отсечки, когда с дальнейшим увеличением напряжения на входе ток коллектора не будет меняться.

Напомним, что в режиме отсечки

iК = IKO и uК = -(ЕКIКОRК) » К,

а в режиме насыщения

uК » 0, iК » IКН = (ЕКuК) / RК » ЕК / RК.

Соотношения, необходимые для расчета рассматриваемого усилителя-ограничителя.

Сопротивление резистора в цепи коллектора

RК » ЕК / IКН,

где IКН – коллекторный ток насыщения не должен превышать максимально допустимого тока коллектора выбранного транзистора.

Ток базы на границе насыщения: iб = Iбн = IКН /b.

Для симметричного ограничения ток базы в исходной рабочей точке Iбо » Iбн /2 = = IКН / 2b.

Чтобы при насыщении уровень ограничения находился на крутом участке нарастающего тока базы (так же, как и при отсечке), амплитуда Iб должна быть больше, чем Iбн:

Iб = SIбн = SIКН / b,

где S – степень насыщения берется обычно равной 2-3 (при больших значениях S время выхода транзистора из насыщения затягивается).

Воспользовавшись выражением, приведенным в п. 3.5, определим время tФ, за которое синусоидальное напряжение с амплитудой Um и частотой f нарастает до уровня ограничения UОГР. В данном случае этому уровню соответствует разность IОГР = IКНI, а амплитуде U i>m – амплитуда коллекторного тока IКmax, который проходил бы в цепи в отсутствие насыщения (см. рис. 3.22, б):

IКmax = Iбb = SIКНb = SIКН.

В этих обозначениях длительность нарастания тока базы

Так как I » IКН / 2 и IКmax / IКН = S, то последнее выражение можно переписать в следующем виде:

Еще раз подчеркнем, что этим выражением определяется только та составляющая фронта выходного импульса, которая обусловлена синусоидальным характером входного напряжения. Инерционность транзистора и конечное время выхода его из насыщения дополнительно удлиняют фронт.

Отметим, что тепловой режим транзистора в данном случае облегченный, так как мощность на коллекторе выделяется по существу только во время переключения: при работе в области насыщения напряжение на коллекторе незначительно, а в области отсечки – незначителен коллекторный ток.