Ограничивающие схемы (клипперы): теория, моделирование и практические применения

Клиппер — пассивная электронная схема, ограничивающая пиковую амплитуду сигнала. Анализ фокусируется на конфигурации отрицательного клиппера, показывая, как один диод и резистор ограничивают сигнал ниже заданного порога напряжения.

Анализ работы клиппера

Схема сгенерирована инструментом Xcircuit, сопровождающий SPICE нетлист экспортирован автоматически. Небольшие правки внесены в нетлист текстовой редактором для добавления диодного компонента.

*SPICE 03437.eps * A K ModelName D1 0 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran .05m 3m .end

Клиппер: обрезает отрицательный пик на –0,7 В.

Положительная полуволна

Когда входная синусоида поднимается к положительному пику (5 В), диод обратным смещением остаётся непроводящим. Выход на узле 2 просто зеркалит вход в эту полуволну, как показано в симуляции. Для наглядности команда симулятора «plot v(1)+1» смещает входную волну вверх на 1 В.

На графике V(1)+1 — это 10 В пик-пик синусоида, сдвинутая вверх. Выход V(2) обрезан на –0,7 В диодом D1.

Отрицательная полуволна

Во время отрицательной части синусоиды диод становится прямо смещённым и проводит. Вход эффективно замыкается на землю, заставляя выход следовать за входом только до достижения порога прямого падения диода. Для кремниевого диода дефолтное прямое напряжение 0,7 В, если модель не параметризована иначе. Германиевые или Шоттки диоды обрезают на более низких напряжениях, что можно проверить по их даташитам.

Симуляция показывает, что обрезка происходит только после превышения входа –0,7 В; диод не проводит всю отрицательную полуволну.

Симметричный клиппер

Добавление антипараллельного диода к существующей конфигурации даёт симметричный клиппер, ограничивающий оба пика. Следующий нетлист отражает это изменение:

*SPICE 03438.eps D1 0 2 diode D2 2 0 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.05m 3m .end

Симметричный клиппер: антипараллельные диоды обрезают оба пика, выдавая ±0,7 В.

Диод D1 зажимает отрицательную полуволну на –0,7 В, а D2 проводит во время положительной, когда вход превышает +0,7 В. Оставшееся напряжение падает на последовательном резисторе, гарантируя, что выход никогда не превышает ±0,7 В.

Симуляция подтверждает ожидаемое поведение обрезки для обоих диодов.

Общая форма диодного клиппера

Наиболее универсальный дизайн диодного клиппера включает настраиваемые опорные напряжения для точной установки уровней обрезки. Для реального кремниевого диода прямое падение нужно учитывать в опорных напряжениях. В примере ниже D1 начинает проводить при 1,3 В + 0,7 В = 2,0 В, D2 при –2,3 В – 0,7 В = –3,0 В.

*SPICE 03439.eps V1 3 0 1.3 V2 4 0 -2.3 D1 2 3 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V3 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.05m 3m .end

D1 обрезает вход на 2 В; D2 на –3 В.

Для обрезки только одной стороны просто удалите соответствующий диод и источник напряжения. Следующая симуляция демонстрирует клиппер, ограничивающий положительную полуволну до 2 В, позволяя отрицательной пройти без изменений.

Клиппер на зенеровском диоде

Зенеровский диод может заменить и клиппирующий диод, и опорное DC напряжение, обеспечивая самосмещённый уровень обрезки, определяемый пробойным напряжением зенера. Эта конфигурация особенно полезна в высоковольтных применениях, где нужна точная обрезка.

Практическое применение клипперов

Клипперы служат критическими защитными приборами во многих электронных системах. Например, при усилении голосовых сигналов перед подачей в радиопередатчик клиппер предотвращает превышение усилённым сигналом линейного диапазона передатчика. Перегрузка передатчика не только искажает выход, но и генерирует паразитные излучения, мешающие соседним станциям.

Клиппер на рисунке защищает передатчик, ограничивая пиковые отклонения напряжения от громкой речи.

Другие распространённые применения:

• Преобразование синусоиды в прямоугольную волну намеренным перегрузом клиппера.
• Защита входных каскадов интегральных схем. В CMOS МС клипперные диоды ссылаются на шины 0 В и +5 В, зажимая вход в безопасном диапазоне.
• Использование резисторно-диодной пары с DC смещением для обрезки на произвольном уровне — техника в сдвиге уровней и кондиционировании сигналов.

Обзор

• Резисторно-диодные пары обрезают сигнал на заданном напряжении.
• Антипараллельные Si диоды дают симметричную обрезку на ±0,7 В.
• Заземлённые выводы диодов можно заменить DC смещением для установки произвольных порогов обрезки.
• Клипперы действуют как защитные элементы, предотвращая превышение сигналами заданных лимитов.

Связанные рабочие листы:

• Рабочий лист: Клипперы и кламперы