3.8. Фиксаторы уровня

Рассмотрим цепь (рис. 3.26, а), на вход которой воздействует последовательность положительных прямоугольных импульсов, содержащая постоянную составляющую U0 (рис. 3.26, б).

За счет разделительного конденсатора С входное напряжение теряет постоянную составляющую – напряжение на выходе цепи ее не содержит.

На рис. 3.26, в показано напряжение uС на конденсаторе, которое поднимается выше среднего уровня U0 при зарядке во время действия входного импульса и опускается ниже U0 при разрядке во время паузы. Импульсы на выходе цепи (рис. 3.26, г) изображены с учетом того, что u2 = u1uC. Поэтому по сравнению с входными они смещены на U0 вниз по оси напряжений, а их плоские вершины имеют завал.

Во многих случаях (в осциллографах, в телевизионных приемниках и т.п.) потеря постоянной составляющей недопустима. Для ее восстановления применяют фиксаторы уровня.

Очевидно, что на конденсаторе не происходит постепенное накопление заряда и рост напряжения, если в паузе между импульсами конденсатор будет успевать полностью освобождаться от заряда. При этом под действием каждого входного импульса конденсатор по-прежнему подзаряжается. Однако к приходу следующего импульса напряжение на нем окажется равным нулю и нарастание импульса на выходе начнется с нулевого уровня.

Отсюда следует, что большая постоянная времени зарядки конденсатора (для малого искажения вершины импульса) должна сочетаться с малой постоянной времени разрядки (для восстановления постоянной составляющей). Подобную задачу можно решить при использовании нелинейного элемента, сопротивление которого зависело бы от полярности приложенного напряжения. В качестве такого элемента обычно используется диод. Схема диодного фиксатора приведена на рис. 3.27, а. Во время действия положительных входных импульсов 1, 2, 3 (рис. 3.27, б) конденсатор С незначительно заряжается (t3 = CR >> tИ) с полярностью, указанной на рис. 3.27, а вне скобок.

После того как импульс на входе заканчивается, конденсатор через источник входного напряжения (его внутреннее сопротивление будем считать равным нулю) подключается к диоду Д. Последний отпирается, и конденсатор быстро разряжается через него, так что к приходу очередного импульса он разряжен.

Поэтому каждый импульс на выходе начинается с нулевого уровня – выходное напряжение содержит постоянную составляющую, которая была бы потеряна в отсутствие диода Д.

В схеме рис. 3.27, а выходное напряжение изменяется по существу вверх от нулевого уровня, даже когда на вход цепи поступают отрицательные импульсы. Действительно, в этом случае от импульсов 4, 5, 6 (см. рис. 3.27, б) конденсатор через отпертый диод быстро заряжается до напряжения UmBX (c полярностью, указанной в скобках на рис. 3.27, а) и uВЫХ после короткого отрицательного выброса становится равным нулю. В паузе между импульсами конденсатор через источник входного напряжения оказывается подключенным параллельно выходу. Поэтому напряжение uВЫХ вначале скачком нарастает до UmBX, а по мере разрядки конденсатора (tР = CR – диод заперт) несколько снижается.

Таким образом, схема рис. 3.27, а фиксирует выходное напряжение на нулевом уровне снизу: вне зависимости от полярности входных импульсов напряжение uВЫХ изменяется от фиксируемого уровня фактически только вверх.

Схема фиксатора нулевого уровня сверху изображена на рис. 3.28, а. Процессы в таком фиксаторе не отличаются от рассмотренных и иллюстрируются кривыми (рис. 3.28, б).

Если к выходу схемы рис. 3.26, а подключена цепь, сопротивление которой зависит от полярности u2, то на конденсаторе С может появиться постоянное напряжение из-за разных постоянных времени зарядки и разрядки. С помощью фиксатора уровня (см. рис. 3.28, а, б) это напряжение можно ликвидировать, сделав, например, постоянные времени одинаковыми, и тем самым устранить динамическое смещение на входе подключенной цепи. Пример аналогичного решения был показан при рассмотрении транзисторного усилителя-ограничителя
(см. рис. 3.22, а).

Фиксаторы уровня могут восстанавливать постоянную составляющую, потерянную при прохождении сигнала через разделительный конденсатор или трансформатор. Пусть разнополярные импульсы (рис. 3.29, а) нужно зафиксировать на нулевом уровне снизу (рис. 3.29, б), т.е. восстановить положительную постоянную составляющую U0. Для этого нужно, чтобы напряжение на конденсаторе было равно U0 и имело положительную полярность на обкладке, обращенной к выходу. Эти условия выполняются в схеме рис. 3.29, в.

Действительно, во время действия отрицательного входного импульса конденсатор С быстро заряжается через открывшийся диод Д до напряжения -UmBX, а при действии положительного входного импульса – практически не успевает сколько-нибудь заметно разрядиться через большое сопротивление R. В результате напряжение на выходе схемы:

uВЫХ = uВХuС = uВХ – ( - UmBX) = uВХ + UmBX ,

т.е. поднято относительно входного напряжения на величину UmBX.

Заметим, что в данном случае используется динамическое смещение на конденсаторе, возникающее за счет разных постоянных времени зарядки и разрядки.

Для получения ненулевого уровня фиксации в схемы фиксаторов дополнительно вводится источник смещения.