Semplice limitatore di picco

Semplice limitatore di picco

Ci sono alcune situazioni, in cui si richiede un amplificatore che impone limitazioni sul segnale di uscita. Quello che intendo è il seguente: per i segnali di input piccoli, il guadagno è un determinato valore. Questo guadagno rimane più o meno invariato all’aumentare dell’ampiezza dell’ingresso, il che va bene. A un certo punto, l’amplificatore deve smettere di amplificare, perché i componenti a valle potrebbero danneggiarsi se l’ampiezza dell’ingresso supera una certa soglia. Un amplificatore che si comporta in questo modo è chiamato limitatore, poiché limita anche l’ampiezza di uscita incorporando una risposta non lineare nella sua funzione di trasferimento.

Un esempio specifico di questo tipo di applicazione è l’ingresso di un ADC, una ampiezza eccessiva in ingresso potrebbe rompere qualcosa.

Il circuito

 

Per prima cosa vediamo come funziona il circuito. Qui tratteremo solo i concetti di base; è possibile esplorare la funzionalità in modo più dettagliato tramite simulazioni. Il controllo dell’ampiezza non lineare è ottenuto (non sorprendentemente) incorporando le caratteristiche di corrente-tensione non lineare di un diodo. Quando la tensione di uscita è bassa, entrambi i diodi sono polarizzati inversamente. Ciò significa che possiamo analizzare il circuito come se non fossero nemmeno lì, e quando lo facciamo, vediamo che il limiter è solo un tipico amplificatore operazionale invertente con alcuni resistori collegati tra l’uscita e le tensioni di alimentazione. Come previsto, quindi, il limitatore è solo un normale amplificatore purché l’uscita non sia alta o bassa abbastanza da provocare la sua funzionalità di limitazione.

All’aumentare dell’uscita, tuttavia, la tensione sull’anodo di D2 inizia ad aumentare rispetto alla tensione sul terminale di ingresso invertitore dell’amplificatore operazionale. Alla fine la tensione attraverso il diodo raggiungerà ~ 0,6 V e il diodo inizierà a condurre. Con D2 conduttore, RF viene bypassato e l’amplificatore operazionale diventa un inseguitore di tensione, in altre parole, il guadagno viene ridotto e l’ampiezza dell’output è limitata.

La tensione di ingresso sta diminuendo e di conseguenza la tensione di uscita aumenta. Anche la tensione sull’anodo di D2 sta aumentando e quando la tensione di ingresso raggiunge circa -0,4 V, la tensione su D2 è sufficientemente alta da far sì che il diodo inizi a condurre. La tensione su D2 si livella quindi, come ci si aspetterebbe da un diodo con polarizzazione diretta. Il grafico sottostante conferma che anche la tensione di uscita si livella.

 

Un processo analogo si verifica con il diodo D1.

Dettagli di design

Il guadagno non limitante viene impostato usando RF e R1; come potete vedere nello schema sopra, il mio circuito è impostato per un guadagno di 10. Il prossimo compito è stabilire i limiti di tensione positiva e negativa. Se si riflette sul circuito, si vedrà che R4 e R5 formano un partitore di tensione, in modo tale che la tensione dell’anodo D2 (e per estensione la tensione limite positiva) dipenderà dal rapporto tra R4 e R5. Analogamente, la tensione catodica D1 (e per estensione la tensione limite negativa) dipende dal rapporto tra R3 e R2. Le equazioni complete sono le seguenti:

Ho calcolato i valori del resistore per i limiti di +5 V e -5 V. Il seguente grafico mostra che il circuito funziona come previsto;le diverse tracce sono i segnali di uscita per le ampiezze del segnale di ingresso che vanno da 0,1 V a 1,1 V in otto step. Da notare l’andamento delle transizioni morbide dal comportamento lineare alla limitazione.

Amilcare

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