3.7. Ограничители на микросхемах операционных усилителей

К недостаткам рассмотренных диодных ограничителей относятся невозможность ограничения малых напряжений, при которых диод не открывается, а также нестабильность уровней ограничения из-за разброса параметров диодов и их зависимости от температуры.

Лучшие показатели имеют ограничители на интегральных схемах операционных усилителей (ИМС ОУ). Возможность построения таких ограничителей основана на следующих соображениях.

Так как напряжение между входами ИМС ОУ (рис. 3.23, а) U0 » 0, то uВЫХ можно считать равным напряжению uba между выходом и инвертирующим входом. Если после достижения некоторого значения напряжение uba перестанет изменяться, то выходное напряжение будет ограничено на этом уровне. Элементом, напряжение на котором после достижения определенного значения практически не увеличивается при увеличении проходящего тока, является стабилитрон. Его идеализированная характеристика изображена на рис. 3.23, б. Когда обратное напряжение на стабилитроне достигает напряжения стабилизации UСТ, наступает пробой, после чего с увеличением тока напряжение на стабилитроне не меняется. Под действием прямого напряжения стабилитрон ведет себя как обычный диод и напряжение на нем UПР » 0,7 В.

Схема ограничителя на ИМС ОУ со стабилитронами в цепи отрицательной обратной связи приведена на рис. 3.23, а. Для одного стабилитрона напряжение является прямым, для другого – обратным.

Пока uba < ½UСТ½ + UПР, один из стабилитронов работает на начальном участке отрицательной ветви характеристики – сопротивление цепи стабилитронов велико, так что коэффициент усиления каскада (как для обычного ОУ) К = -R2/R1.

С увеличением | uВХ | и | uВЫХ | напряжение на одном из стабилитронов достигает значения UCT, при котором происходит пробой; дальнейшее увеличение | uВХ | увеличивает ток через стабилитроны, но напряжение на них | UСТ | + UПР практически не изме

няется. Таким образом, после пробоя стабилитрона напряжение на выходе ОУ ограничивается на уровне, равном UСТ + UПР.

Если после этого с уменьшением | uВХ | напряжение на стабилитроне окажется меньше | UСТ |, высокое сопротивление стабилитрона восстановится и uВЫХ будет следовать за изменениями uВХ при коэффициенте усиления К = – R2/R1.

Когда uВХ изменит полярность и по абсолютному значению станет равным | UСТ | + UПР, пробьется второй стабилитрон и другая полуволна выходного напряжения будет ограничена на уровне | UСТ | + UПР.

Так как рассматриваемый каскад является инвертирующим, то характеристика ограничителя (рис. 3.24) расположена во втором и четвертом квадрантах: положительным значениям uВХ соответствуют отрицательные значения uВЫХ и наоборот.

Реальный стабилитрон имеет характеристику, отличающуюся от изображенной на рис. 3.23, б: его дифференциальные сопротивления  (после пробоя и на прямой ветви не равны нулю). Поэтому участки характеристики (см. рис. 3.24), соответствующие ограничению, не являются строго горизонтальными.

На рис. 3.25 приведена схема ограничителя на ИМС ОУ, где в цепь отрицательной обратной связи введены диоды. Резисторами R3 – R6 устанавливаются положительный потенциал катода Д1 и отрицательный – анода Д2.

Пока диоды заперты, коэффициент усиления каскада определяется отношением R2/R1. При нарастании положительного входного напряжения отрицательным напряжением на выходе отпирается диод Д1. Через него резистор R4 (с действующим на нем напряжением ) оказывается включенным между точками а и b. Так как за счет конденсатора С1 переменное напряжение на резисторе R4 не выделяется, то при дальнейшем увеличении uВХ напряжение н