Мягкий ограничитель для стабилизации амплитуды генераторов сигналов

EDN

Большинство схем генераторов содержит цепь нелинейного управления амплитудой, которая поддерживает желаемый уровень колебаний с минимальными искажениями на выходе. Один из подходов основан на использовании амплитуды выходной синусоиды для управления сопротивлением элемента схемы, такого, например, как полевой транзистор с p-n переходом, работающий в области триодных характеристик. В другом методе управления используется схема ограничителя, которая позволяет колебаниям расти до тех пор, пока их амплитуда не достигнет порогового уровня ограничителя. При работе ограничителя амплитуда выходного сигнала остается постоянной. Для минимизации нелинейных искажений и ограничения выходного сигнала ограничитель должен иметь «мягкую» характеристику.

Рисунок 1.	В схеме генератора с фазосдвигающей RC-цепочкой используется ограничитель амплитуды на транзисторах со связанными эмиттерами.

Схема на Рисунке 1, основанная на формирователе сигнала с мягкой  характеристикой ограничения, содержит генератор с лестничной фазосдвигающей RC-цепочкой и схему ограничителя, регулирующего амплитуду сигнала. Каждый из резисторов R₁, R₂ и R₃ имеет сопротивление 10 кОм, а емкость каждого из конденсаторов C₁, C₂ и C₃ равна 1 нФ. Частота f_O выходного сигнала V_OUT определяется следующим выражением:

Блок инвертирующего усилителя на Рисунке 1 включает дифференциальную пару с нелинейной передаточной характеристикой на транзисторах Q₁ и Q₂ и преобразователь ток-напряжение, основанный на операционном усилителе IC₁. Для возникновения колебаний коэффициент усиления инвертирующего усилителя должен быть больше 29. Выбор подходящих значений тока смещения I_EE, сопротивлений эмиттерных резисторов транзисторной пары R_E1 и R_E2 и резистора R_E3 формирует нелинейную передаточную характеристику усилителя, (зависимость V_OUT от V_IN), показанную на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Передаточная характеристика нелинейного усилителя показывает постепенное начало ограничения при входном напряжении примерно 100 мВ.

При небольших входных напряжениях передаточная характеристика усилителя почти линейна. Однако большие значения входного напряжения переводят Q₁ и Q₂ в нелинейную область, уменьшая коэффициент усиления усилителя и вызывая постепенный изгиб передаточной характеристики. Токовое зеркало, образованное транзисторами Q₃ и Q₄, преобразует выходной сигнал дифференциальной пары Q₁, Q₂ в несимметричный ток, который преобразуется в напряжение операционным усилителем IC₁. В прототипе схемы сопротивление калибровочного подстроечного резистора R_E3 имело значение порядка 33 кОм. На Рисунке 3 представлена форма выходного напряжения генератора при использовании компонентов с номиналами, показанными на Рисунке 1, а Рисунок 4 демонстрирует спектральную чистоту выходного сигнала.

Рисунок 3.	При указанных на схеме Рисунок 1 номиналах компонентов амплитуда выходного сигнала генератора достигает установившегося значения примерно за 400 мс, или за 15 периодов после запуска.

Ограничивающая функция нелинейного усилителя не зависит от частоты, поэтому схема удобна для использования с перестраиваемыми генераторами. Обратите внимание, что уровень характеристик схемы зависит от произведения коэффициента усиления микросхемы IC₁ на ее ширину полосы пропускания. Чтобы использовать ограничительную часть схемы с неинвертирующим усилителем, например, с мостовым генератором Вина, подайте напряжение входного сигнала на базу Q₂ и заземлите базу Q₁.

Рисунок 4.	Спектр выходного сигнала генератора содержит лишь незначительную составляющую третьей гармоники.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TL081