7.3: Modelado de Ondas
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7.3.1: Almejas Activas
Los clampers se utilizan para agregar una cantidad específica de CC a una señal. Generalmente, la cantidad de CC será igual al valor pico de la señal. Los clampers son inteligentes ya que pueden ajustar la cantidad de CC si cambia el valor pico de la señal de entrada. Idealmente, los clampers no cambiarán la forma de la señal de entrada; más bien, la señal de salida es simplemente una versión “desplazada verticalmente” de la entrada, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Una aplicación común de la pinza es en los receptores de televisión. Aquí, una abrazadora se conoce como restaurador de CC. Se requiere que ciertas porciones de la señal de video, como los pulsos de sincronización, estén en niveles específicos. Después de que la señal de video haya sido amplificada por etapas de ganancia acopladas a CA, el restaurador de CC devuelve el video a su orientación normal. Sin la acción de sujeción, las diversas partes de la señal no se pueden decodificar correctamente. Los clampers se fabrican comúnmente con componentes pasivos, al igual que los rectificadores. Al igual que los rectificadores, las pinzas simples producen errores causados por la caída de voltaje directo del diodo. Los clampers activos eliminan este error.
Figura\(\PageIndex{1}\): Efecto de clampers sobre la señal de entrada a. señal de entrada (izquierda) b. salidas sujetadas (derecha).
Conceptualmente, una abrazadera necesita detectar la amplitud de la señal de entrada y crear una señal de CC de igual valor. Esta señal de CC se agrega luego a la entrada, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Si se conoce el valor pico, y no cambia, es posible crear esta función con un amplificador sumador. Si el nivel de señal es dinámico, se necesita tomar un rumbo diferente. El truco está en conseguir que la fuente de CC realice un seguimiento adecuado de los cambios de nivel de entrada. Obviamente, un simple suministro de CC no es apropiado; sin embargo, un condensador cargado se ajustará perfectamente a la factura, siempre que su constante de tiempo de descarga sea mucho más larga que el período de la onda de entrada. Todo lo que hay que hacer es tener la carga del condensador al nivel pico de la entrada. Cuando se agrega el voltaje del condensador a la señal de entrada, se producirá el cambio de CC apropiado.
Figura\(\PageIndex{2}\): Modelo de clamper simple.
La figura\(\PageIndex{3}\) muestra una pinza positiva activa. En el primer pico negativo de la entrada, la fuente intentará extraer corriente a través del condensador en la dirección mostrada. Esto obliga a la entrada inversora del amplificador operacional a ir ligeramente negativa, creando así una salida positiva del amplificador operacional. El resultado de esta acción será polarizar hacia adelante el diodo y suministrar corriente de carga al condensador. El condensador se cargará al valor de pico negativo de la entrada. La resistencia de salida del amplificador operacional es muy baja, por lo que la carga es relativamente rápida, solo estando limitada por la corriente de salida máxima del amplificador operacional. Cuando la fuente cambia de dirección, el amplificador operacional producirá una salida negativa, apagando así el diodo y eliminando efectivamente el amplificador operacional del circuito. Debido a que el tiempo de descarga\(C\) es mucho más largo que el período de entrada, su potencial se mantiene aproximadamente\(V_{p-}\). Ahora actúa como una fuente de voltaje. Estas dos fuentes se suman, así podemos ver que la salida debe ser:
\[ V_{out} = V_{in} + |V_{p-}| \label{7.1} \]
Figura\(\PageIndex{3}\): Clamper positivo activo.
El amplificador operacional permanecerá en saturación hasta el siguiente pico negativo, momento en el que se recargará el condensador. Durante el período de carga, el bucle de retroalimentación se cierra y, por lo tanto, la caída directa del diodo es compensada por el amplificador operacional. En otras palabras, la salida del amplificador operacional será aproximadamente 0.6 a 0.7 V por encima del potencial de la entrada inversora. El tiempo de descarga del circuito es establecido por la resistencia de carga,\(R_l\). Si se requieren constantes de tiempo particularmente largas, se puede usar una etapa de búfer, junto con un amplificador operacional de sujeción de entrada FET. La resistencia\(R\) se utiliza para evitar posibles daños al amplificador operacional por la descarga del condensador. Este valor se encuentra normalmente en la región de kilohmios bajos. Para hacer un clamper negativo, basta con invertir la polaridad del diodo.
A veces, es deseable sujetar una señal y agregar un desplazamiento fijo también. Un ejemplo de forma de onda de salida de este tipo se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).
Figura\(\PageIndex{4}\): Salida con sujeción con desplazamiento.
Esta función es relativamente fácil de agregar a la abrazadera básica. Para incluir el desplazamiento, todo lo que hay que hacer es cambiar el punto de referencia del amplificador operacional. En el clamper básico, la entrada no inversora está atada a tierra. En consecuencia, esto establece el punto en el que inicia el ciclo de carga/descarga. Si se altera esta referencia, también se altera el punto de carga/descarga. Para crear un desplazamiento positivo, se aplica una señal de CC igual al desplazamiento a la entrada no inversora, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). Se puede usar un arreglo similar para almejas negativas.
Figura\(\PageIndex{5}\): Pinza positiva activa con desplazamiento.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\)
En la Figura se muestra una pinza activa\(\PageIndex{6}\). Se utiliza un amplificador operacional LF412 (un LF411 dual). Determine el voltaje del condensador y verifique que la constante de tiempo sea apropiada para la forma de onda de entrada. Además, esboce la forma de onda de salida y determine el voltaje de entrada diferencial máximo para el primer amplificador operacional.
Figura\(\PageIndex{6}\): Circuito de clamper activo (arriba) y forma de onda de entrada (abajo) para Ejemplo\(\PageIndex{1}\).
Debido a que esta es una abrazadera positiva, el voltaje del condensador es la suma del potencial de compensación y el potencial de pico negativo de la forma de onda de entrada. \(V_{offset}\)se establece por el\(\Omega\) divisor de 10\(\Omega\) k/1.5 k.
\[ V_{offset} = V_{CC} \frac{R_2}{R_1+R_2} \nonumber \]
\[ V_{offset} = 15 V \frac{1.5 k}{10 k+1.5 k} \nonumber \]
\[ V_{offset} = 1.96 V \nonumber \]
\[ V_c = V_{offset} + |V_{p-}| \nonumber \]
\[ V_c = 1.96 V+|−1 V| \nonumber \]
\[ V_c = 2.96 V \nonumber \]
Esta es la cantidad de CC añadida a la señal de entrada. La forma de onda de salida se verá igual que la entrada, excepto que se desplazará hacia arriba en 2.96 V. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\).
Figura\(\PageIndex{7}\): Salida de pinza por Ejemplo\(\PageIndex{1}\).
La constante de tiempo de descarga debe ser mucho mayor que el periodo de la onda de entrada. La onda de entrada tiene una frecuencia de 1 kHz, y por lo tanto, un periodo de 1 ms. El condensador se descarga a través de la resistencia de carga. Como se utilizan amplificadores operacionales de entrada FET, su efecto sobre la velocidad de descarga es mínimo.
\[ T = R_l C \nonumber \]
\[ T = 10 M\times 10nF \nonumber \]
\[ T = 0.1s \nonumber \]
La tasa de descarga es 100 veces más larga que el período de entrada, por lo que la caída del condensador será satisfactoria.
La señal de entrada diferencial máxima es la diferencia en el peor de los casos entre los potenciales de entrada inversora y no inversora. La entrada no inversora está ligada directamente a 1.96 V. La entrada inversora ve la forma de onda de salida. El valor máximo de la salida es de 5.96 V. Entonces la diferencia es
\[ V_{in-diff} = V_{in +} − V_{in -} \nonumber \]
\[ V_{in-diff} = 1.96 V−5.96 V \nonumber \]
\[ V_{in-diff} = −4 V \nonumber \]
El LF412 no tendrá ningún problema con una entrada diferencial de este tamaño.
Simulación por Computadora
Una simulación del circuito de sujeción del Ejemplo\(\PageIndex{1}\) se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\). Para simplificar un poco la simulación, la señal de entrada se ha alterado modestamente. En lugar de la señal rectificada de onda completa de pico a pico de 4 voltios desplazada originalmente utilizada, se usa una onda sinusoidal de pico a pico de 4 voltios desplazada.
Figura\(\PageIndex{8a}\): Esquema de clamper en Multisim.
Tanto las formas de onda de entrada como de salida se trazan en el Análisis Transitorio. El circuito requiere aproximadamente 1 ciclo de la forma de onda antes de que la salida se estabilice. Después de ese punto la acción de sujeción y desplazamiento de casi 2 voltios es bastante evidente en la forma de onda de salida. Tampoco hay caída notable, error de escalado o distorsión obvia en la salida, aunque algunas aberraciones menores se pueden ver en los picos negativos en ocasiones.
Figura\(\PageIndex{8b}\): Formas de onda de la abrazadora.
7.3.2: Limitadores Activos
Un limitador es un circuito que pone una restricción máxima en su nivel de salida. La salida de un limitador nunca puede estar por encima de un nivel preestablecido específico. En un sentido, todos los circuitos activos son limitadores, en el sentido de que todos eventualmente recortarán la señal entrando en saturación. Un verdadero limitador, sin embargo, prohíbe la señal a niveles considerablemente más bajos que la saturación. El nivel exacto es bastante fácil de establecer. Los limitadores se pueden usar para proteger las siguientes etapas de niveles de entrada excesivos. También pueden verse como un tipo de moldeador de ondas. Una forma de limitador se mostró en el Capítulo Seis, en el esquema del Pocket Rocket. En ese circuito, se utilizó un limitador para cortar intencionadamente la señal musical con fines artísticos. La limitación de esa forma es que el potencial límite está bloqueado a\(\pm\) .7 V por los diodos de señal paralelos. Para una forma más general, se desea un potencial límite arbitrario. En lugar de usar diodos de señal paralelos, una combinación en serie de diodos Zener resultará útil.
Figura\(\PageIndex{9}\): Limitador activo.
Un ejemplo de limitador se muestra en la Figura\(\PageIndex{9}\). Se basa en la forma de amplificador de voltaje inversor. Siempre que la señal de salida esté por debajo del potencial Zener, la salida es igual a la entrada multiplicada por la ganancia de voltaje. Si el voltaje de salida intenta elevarse por encima del potencial Zener, uno de los diodos entrará en conducción Zener y el otro diodo entrará en polarización directa. Una vez que esto suceda, la baja resistencia dinámica de los diodos no permitirá ningún aumento adicional en el potencial de salida. No se permitirá que la salida se mueva fuera del potencial Zener (más el encendido de 0.7 V para el segundo diodo):
\[ |V_{out}| \leq V_{zener} + 0.7V \label{7.2} \]
O podríamos reformularlo como
\[ V_{limit} = \pm (V_{zener} + 0.7 V) \label{7.3} \]
Este efecto se muestra gráficamente en la Figura\(\PageIndex{10}\), la característica de transferencia del limitador.
Figura\(\PageIndex{10}\): Característica de transferencia del limitador.
Ejemplo\(\PageIndex{2}\)
Si la entrada al circuito de la Figura\(\PageIndex{11}\) es una onda triangular pico de 4 V, bosquejar\(V_{out}\).
Sin los diodos límite Zener, este amplificador simplemente multiplicaría la entrada por una ganancia de dos e invertirla.
\[ V_{out} = A_v V_{in} \nonumber \]
\[ V_{out} = −2\times 4 V (peak) \nonumber \]
\[ V_{out} = −8V (peak) \nonumber \]
Figura\(\PageIndex{11}\): Limitador por ejemplo\(\PageIndex{2}\).
Entonces, un triángulo pico invertido de 8 V sería la salida. Con la inclusión de los diodos, la salida máxima es
\[ V_{limit} = \pm (V_{zener} + 0.7 V) \nonumber \]
\[ V_{limit} = \pm (5.1 V + 0.7 V) \nonumber \]
\[ V_{limit} = \pm 5.8 V \nonumber \]
En consecuencia, la onda de salida se recorta a 5.8 V, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{12}\).
Al usar diferentes Zeners, también es posible producir limitantes asimétricos. Por ejemplo, las señales positivas podrían limitarse a 10 V, mientras que las señales negativas podrían limitarse a -5 V.
Figura\(\PageIndex{12}\): Señales de entrada/salida del limitador por Ejemplo\(\PageIndex{2}\).